Publicité
Espace

Fermilab: de nouveaux détecteurs pour traquer les neutrinos

03-12-2018

Le détecteur ICARUS, en arrière-plan, a été installé au Fermilab. Photo: Fermilab

La mise en service d’immenses détecteurs au Fermilab, aux États-Unis, pourrait prochainement faire la lumière sur des particules aussi bizarres que prometteuses: les neutrinos.

C’est un destin inhabituel pour un détecteur de particules : après avoir fonctionné en Italie de 2010 à 2014, ICARUS, un monstre de 18 m de long, a déménagé au CERN, en Suisse, pour y être modernisé; puis il a traversé l’Atlantique à l’été 2017 pour prendre ses quartiers au Fermilab, à côté de Chicago. Dès janvier 2019, il enregistrera des données provenant d’un faisceau de neutrinos dans le but de repousser les frontières de la physique. Rien de moins !

Si les physiciens arrivent à les générer grâce à des accélérateurs de particules, dans la « nature », les neutrinos sont produits essentiellement lors de réactions nucléaires, dans les centrales sur terre, mais surtout au cœur des étoiles, comme notre Soleil. Le problème, c’est que ces particules sont incroyablement discrètes. Chaque seconde, des centaines de milliards d’entre elles nous traversent à une vitesse proche de celle de la lumière, pratiquement sans interagir avec la matière. Bien que furtifs, certains de ces fantômes peuvent être interceptés par d’immenses détecteurs, construits sous terre à l’abri des rayons cosmiques.

Transport d’ICARUS – Photo: CERN

Avec l’arrivée du géant ICARUS dans ses installations souterraines, le Fermilab intensifie sa traque entamée depuis plusieurs années. Le détecteur rempli de 760 t d’argon liquide fera ainsi équipe avec deux autres détecteurs dernier cri, MicroBooNE (en fonction depuis 2015) et SBND (dès 2020), au sein d’un programme international regroupant 250 chercheurs. Au final, ces trois détecteurs vont se déployer le long d’un faisceau de neutrinos à des distances stratégiques, soit à 600 m, 470 m et 110 m de la source respectivement. Ils tâcheront de voir comment les neutrinos se comportent sur de courtes distances et de détecter, peut-être, une nouvelle particule, le neutrino stérile.

On connaît à ce jour trois types de neutrinos : les neutrinos électroniques, muoniques et tauiques, selon la particule à laquelle ils sont associés. Véritables caméléons, ils peuvent changer spontanément d’identité, passant d’un type à l’autre en cours de route. « Ces “oscillations” ne surviennent que sur de grandes distances [NDLR : plusieurs dizaines de kilomètres], dit Roxanne Guénette, professeure à l’Université Harvard, engagée dans l’expérience MicroBooNE. Or, des expériences conduites dans les années1990 ont mis au jour des anomalies sur de courtes distances qui pourraient être expliquées par une quatrième sorte de neutrinos. » Le fameux neutrino stérile.

L’intérêt pour ce petit nouveau a été ravivé en juin 2018, à la suite du dévoilement de résultats issus du Fermilab qui confirmaient ces anomalies à l’aide d’un détecteur en fonction depuis 16 ans, MiniBooNE, encore utile malgré son âge. Alors qu’ils étudiaient la transformation de neutrinos muoniques en neutrinos électroniques, les chercheurs ont mesuré un excès de neutrinos électroniques par rapport à ce que prédit la théorie. Leur hypothèse ? Les neutrinos stériles viendraient peut-être mettre leur grain de sel dans les oscillations et semer la pagaille dans les équations !

« Jusqu’ici, ces résultats n’étaient pas très significatifs, tempère Roxanne Guénette. Mais le fait qu’on trouve ces anomalies dans plusieurs expériences est intrigant. » Comme son nom l’indique, le neutrino stérile n’interagirait aucunement avec la matière. Et puisqu’il n’est pas annoncé par la théorie du « modèle standard », qui est censée décrire tout le bestiaire des particules, il viendrait mettre un sacré coup de pied dans la fourmilière !

« Le Saint-Graal en physique, c’est justement de découvrir quelque chose qui ne marche pas dans la théorie. Les neutrinos stériles seraient une preuve indéniable qu’il y a une nouvelle physique au-delà du modèle standard », s’enthousiasme la chercheuse. Cette faille, les physiciens en ont désespérément besoin pour expliquer l’inexplicable, notamment la composition de la matière noire et de l’énergie noire, dont on ne sait rien et qui constituent pourtant 95 % de l’Univers !

Le neutrino stérile serait-il la réponse ? Pour le savoir, le Fermilab met les bouchées doubles. En plus du programme d’étude des neutrinos sur de courtes distances, le laboratoire prépare un projet « longue distance », appelé DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment). « Ce sera le faisceau de neutrinos le plus puissant jamais construit. Il traversera 1 300 km sous terre pour venir frapper quatre gigantesques détecteurs situés dans une mine du Dakota du Sud », indique Roxanne Guénette.

DUNE – Fermilab

Opérationnel en 2026, DUNE mesurera certaines propriétés des neutrinos, notamment l’« ordre des masses » (on ne sait toujours pas lequel des trois types est le plus lourd). « On essaiera aussi de voir si les antineutrinos se comportent différemment des neutrinos. Si c’est le cas, cela pourrait nous apprendre pourquoi l’antimatière a disparu de l’Univers actuel, ajoute-t-elle. C’est excitant, car, chaque fois qu’on a fait des expériences sur les neutrinos, on a eu de grosses surprises! » Après des décennies sous le radar, les neutrinos font une entrée fracassante sous les projecteurs.

 

Publicité

À lire aussi

Espace

Une équipe sème le doute quant à la détection des ondes gravitationnelles

Une équipe sème le doute quant à la détection des ondes gravitationnelles. Daryl Haggard, de McGill, nous aide à y voir plus clair.
Espace

Du pain frais dans l’espace

Dès le mois d’avril prochain, les astronautes pourront déguster du pain fraîchement sorti du four dans la Station spatiale internationale.
Annie Labrecque 25-09-2017
Espace

Rosetta et sa comète: la fin d’une belle histoire

Le 30 septembre prochain, la sonde Rosetta entrera en collision avec la comète Tchoury, autour de laquelle elle orbite depuis 2 ans. La fin d'une incroyable épopée.
Marine Corniou 16-09-2016