Les neutrinos, des particules omniprésentes dans l’Univers, sont insaisissables et profondément mystérieux. Un gigantesque détecteur devrait aider les scientifiques à y voir plus clair.
Comment se forment les trous noirs ? C’est le genre de questions auxquelles pourrait aider à répondre le projet Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE). Le détecteur de neutrinos au cœur de cette expérience est actuellement en construction aux États-Unis sous la supervision d’un consortium de 35 pays, dont le Canada, regroupant 1400 scientifiques et ingénieurs de 200 institutions. Une fois opérationnel, vers 2032, DUNE comptera sur une infrastructure colossale. Tout d’abord, le PIP-II, un canon à neutrinos souterrain, le plus puissant de la planète, situé au FermiLab, en Illinois. Puis, à 1300 km de là, au SanfordLab, dans le Dakota du Sud, un immense détecteur de neutrinos enfoui à 1,5 km sous terre. L’excavation de 800 000 tonnes de terre et de roche nécessaire à son installation s’est terminée en août 2024, après 7 ans de travaux.
Comment les neutrinos voyageront-ils du canon au détecteur ? À travers la croûte terrestre ! Pas de problème pour traverser la matière quand on est un neutrino. Surnommés « particules fantômes », les neutrinos (à ne pas confondre avec les neutrons) n’interagissent pas avec leur milieu. Ainsi, chaque seconde, notre corps est traversé comme si de rien n’était par cent mille milliards de neutrinos venus de l’espace. Cette absence d’interaction avec la matière est ce qui les rend si difficiles à étudier.
Toutefois, à de très, très rares occasions, et de façon aléatoire, un neutrino interagit avec l’atome qu’il traverse. Le « choc » produit alors d’autres particules qui, à leur tour, entraînent l’expulsion d’électrons. Ces derniers sont chargés électriquement et sont donc faciles à détecter. Leur direction et leur énergie permettent de reconstituer le portrait et la trajectoire du neutrino en cause. C’est là le fonctionnement de base de la plupart des détecteurs de neutrinos dans le monde. Ceux-ci sont énormes pour augmenter la chance d’y capter une interaction, et aussi pour détecter les particules émises lors de cette interaction, puisqu’elles peuvent partir dans tous les sens.
Ainsi, le détecteur de DUNE comprendra quatre modules, composés chacun de grilles de détection plongées dans un bassin de 66 m x 19 m x 18 m, contenant 17 000 tonnes d’argon liquide, l’équivalent du volume occupé par 160 autobus à deux étages ! L’argon a l’avantage de « générer » ultimement beaucoup d’électrons, tout en étant peu cher et facile à purifier. Mais pour le garder à l’état liquide, il faudra le maintenir à -184 °C, au moyen d’un gigantesque système de cryogénisation !
Comme si ce n’était pas déjà assez compliqué, pourquoi faut-il en plus construire le détecteur de DUNE sous terre ? « Parce que sinon, il détecterait aussi les rayons cosmiques [composés à près de 90 % de protons venant du Soleil]. Et que ces détections noieraient celles des neutrinos, répond Roxanne Guénette, professeure en physique des particules à l’Université de Manchester, au Royaume-Uni, et impliquée dans DUNE. La croûte terrestre bloque les rayons cosmiques, mais pas les neutrinos, qui passent à travers. » Travailler avec des particules fantômes a parfois des avantages !
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- À 1,5 km sous terre, au FermiLab, cette « caverne » accueillera deux détecteurs du projet DUNE.
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- Le ProtoDUNE est un prototype de détecteur qui a été testé au Laboratoire européen pour la physique des particules, en Suisse. Les détecteurs du FermiLab seront 20 fois plus gros.
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- Une composante du PIP-II en construction en salle blanche. Il s’agit d’un canon à particules qui servira à produire le faisceau de neutrinos.
Nouveaux regards sur l’Univers
La chercheuse québécoise attend avec impatience l’entrée en fonction des installations de DUNE. « En produisant nous-mêmes des neutrinos au FermiLab, nous pourrons mieux les étudier. De plus, le détecteur captera aussi des neutrinos venant de l’espace, ce qui nous aidera à comprendre le phénomène astronomique qui les a produits. » Ainsi, quand une étoile mourante s’effondre sur elle-même, elle émet des quantités massives de neutrinos. Ceux-ci pourraient nous en apprendre plus sur le destin post mortem de l’astre, par exemple, sa transformation en trou noir !
Plus largement, DUNE permettra peut-être d’adapter le modèle standard de la physique, soit le solide édifice théorique et mathématique qui décrit les fondements de l’Univers. Ce modèle prédit que les neutrinos n’ont pas de masse. Or, les données expérimentales montrent que ces particules en ont une. Faudra-t-il jeter le modèle standard à la poubelle ? Probablement pas, mais on devra le réviser. Et pour cela, il faudra déterminer précisément la masse du neutrino, possiblement grâce à DUNE. Notre compréhension de l’Univers dépendra-t-elle d’une expérience menée sous terre ?
Photos : CERN ; Reidar Hahn/Fermilab
En 12 ans, un détecteur de neutrinos situé au Japon, Super-Kamiokande, a intercepté moins de… 600 neutrinos. Son successeur gigantesque, l’Hyper-K, est aussi en cours de construction.
