Comment les astronomes recherchent-ils les neutrinos ? Ces petites particules sans masse traversent l’univers à une vitesse très proche de la lumière. Ils sont étudiés depuis les années 1950 et leur détection fournit du travail à une série d’observatoires très intéressants.
Il y a IceCube en Antarctique (ci-dessous), qui utilise un kilomètre cube de glace au pôle Sud comme collecteur. Un autre détecteur de neutrinos, appelé KM3Net, est en cours de développement profondément sous la surface de la mer Méditerranée. Il rejoint les détecteurs existants dans le monde entier.
Aujourd’hui, un consortium de scientifiques chinois envisage de développer un autre “télescope” à neutrinos en eau profonde qui sera plus étendu que n’importe quelle technologie actuellement en ligne.
Selon le chercheur principal Chen Mingjun de l’Académie chinoise des sciences, l’installation sera le plus grand observatoire de neutrinos en activité. “Ce sera un détecteur de 30 kilomètres cubes comprenant plus de 55 000 modules optiques suspendus le long de 2 300 cordes”, a déclaré Chen.
Pourquoi étudier les neutrinos ?
Les neutrinos proviennent d’un certain nombre de sources à travers l’univers. Les astronomes savent que des événements énergétiques les produisent, comme une explosion d’étoile supermassive. Souvent, une poussée de neutrinos alerte les astronomes sur le fait qu’une supernova a explosé. Ils atteignent la Terre avant que la lumière de l’événement catastrophique ne puisse arriver ici.
Les neutrinos (ainsi que les rayons cosmiques) proviennent également du Soleil, d’explosions stellaires, d’objets appelés blazars, et il y a même eu des neutrinos créés lors du Big Bang. Sur Terre, ils émanent de la désintégration de matières radioactives sous la surface, ainsi que des réacteurs nucléaires et des accélérateurs de particules.
L’astronomie des neutrinos est un moyen d’utiliser ces particules (ainsi que les rayons cosmiques) pour rechercher leurs sources et comprendre la physique qui les sous-tend. Les neutrinos offrent aux astronomes une chance de « voir » des processus qu’ils ne peuvent saisir autrement. Cela inclut l’activité dans le noyau du Soleil, les noyaux cachés des galaxies, les sursauts gamma et les événements dans les galaxies en étoile.
Comment détecter les neutrinos
Repérer et mesurer ces particules en mouvement rapide et presque sans masse n’est pas une tâche facile. Ils n’interagissent pas très facilement avec la matière ordinaire, ce qui les rend difficiles à cerner. Selon leur origine, les neutrinos peuvent traverser de nombreuses années-lumière de l’espace avant d’interagir avec le gaz et la poussière interstellaires, ou une planète ou une étoile. Une fois qu’ils le font, ils passent presque complètement sans entrave. Mais, ils interagissent brièvement avec la matière. Cette interaction produit d’autres réactions et particules détectables.
Puisqu’il s’agit d’objets si glissants, les détecteurs de neutrinos doivent avoir une grande «zone de collecte» pour en détecter suffisamment pour l’étude. Les premiers observatoires de neutrinos ont été construits sous terre. Cela a isolé les détecteurs de la “pollution” par rayonnement local. La détection nécessite des équipements extrêmement sensibles et même les meilleurs sur Terre n’en mesurent que relativement peu.
Certains observatoires de neutrinos utilisent un fluide appelé tétrachloroéthylène pour «capturer» des indices sur les neutrinos qui les traversent. Vous connaissez peut-être mieux ce matériau en tant que liquide de nettoyage à sec. Lorsqu’un neutrino frappe un atome de chlore 37 dans le réservoir, il le convertit en un atome d’argon-37. C’est ce que détectent les instruments.
Une autre façon de mesurer les neutrinos consiste à utiliser ce qu’on appelle un détecteur Cherenkov. Le nom fait référence au rayonnement Cherenkov, qui est émis chaque fois que des particules chargées telles que des électrons ou des muons se déplacent dans l’eau, l’eau lourde ou la glace. La particule chargée génère ce rayonnement lorsqu’elle se déplace à travers le fluide détecteur. C’est la méthode qu’IceCube, KM4Net, Lake Baikal et d’autres utilisent. Le détecteur sous-marin chinois améliorera cette méthode et partira à la chasse aux neutrinos à une bien plus grande échelle.
Relier les sources de neutrinos et de rayons cosmiques
L’objectif de la construction d’un télescope aussi vaste est de détecter les neutrinos de haute énergie, mais Chen pense qu’il pourrait y avoir un lien avec les rayons cosmiques. Il s’attend à ce que les neutrinos détectés par l’installation contribuent à résoudre une énigme scientifique centenaire sur l’origine des rayons cosmiques.
Au début des années 1900, les scientifiques ont découvert que des particules énergétiques bombardaient constamment la Terre. Depuis lors, les astronomes ont suivi les neutrinos ainsi que les rayons gamma de l’espace. En 2021, le grand observatoire chinois des douches d’air à haute altitude (LHAASO) dans la province du Sichuan a détecté 12 sources de rayons gamma. Ceux-ci provenaient probablement des mêmes sources que certains rayons cosmiques.
Chen a déclaré qu’une hypothèse populaire est que les neutrinos de haute énergie et les rayons gamma sont potentiellement produits simultanément lorsque les rayons cosmiques de haute énergie sont émis. “Si nous pouvons détecter les deux particules ensemble, nous pouvons déterminer l’origine des rayons cosmiques”, a déclaré Chen. L’équipe veut voir si les collisions de neutrinos dans leur détecteur produisent des particules secondaires. Ceux-ci devraient émettre des signaux lumineux pour que leurs détecteurs sous-marins puissent les voir. Certaines recherches suggèrent déjà cette possibilité, et Chen pense que la détection des neutrinos pourrait retracer l’origine de ce mystérieux rayonnement spatial.
Prochaines étapes
La plupart des membres de l’équipe ont passé des années dans l’étude des rayons cosmiques, notamment à travers le projet LHAASO. Ils se préparent maintenant à faire de même avec les neutrinos dans une toute nouvelle installation. Il ne fait aucun doute que la chasse aux neutrinos extraterrestres en eau profonde présentera de nouveaux défis. L’équipement et les opérations sous-marines sont très coûteux. De plus, l’équipe doit développer un détecteur qui peut être complètement étanche. Cependant, des travaux sont en cours et l’équipe vient de terminer le premier essai en mer pour tester le système de détection à une profondeur de 1 800 mètres sous l’eau.
Pour plus d’informations
Des scientifiques construisent un télescope sous-marin pour détecter les rayons cosmiques
KM3NeT
Observatoire de neutrinos IceCube
Recherche de matière noire LHAASO
