Campus 108

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n° 108 avril-mai 2012
Dossier | Astrophysique

Les neutrinos qui venaient du froid

Un gigantesque détecteur enfoui dans les glaces du pôle Sud fait la chasse aux particules les plus fantomatiques que l’on connaisse, les neutrinos, dont certains viennent du fin fond de l’univers. Teresa Montaruli, professeure récemment arrivée à Genève, participe à ce projet baptisé IceCube

A deux pas du pôle Sud, en face du nouveau bâtiment de la station américaine Amundsen-Scott, on capture des neutrinos à la pelle. Chaque jour, environ 200 particules sont prises dans le gigantesque filet que les chercheurs ont déployé sous la glace de l’Antarctique. IceCube – c’est le nom du détecteur – est en effet composé de plus de 5000 détecteurs optiques distribués dans un volume de 1 km3 situé entre 1,5 et 2,5 km de profondeur. Il n’en faut pas moins pour étudier «ces quantités de réel les plus ténues jamais imaginées par l’homme», comme les qualifiait le physicien américain Frederick Reines, codécouvreur du premier neutrino en 1956.

«Les neutrinos ont la particularité de pouvoir traverser l’espace et la matière quasiment sans subir d’interactions, explique Teresa Montaruli, professeure au Département de physique nucléaire et corpusculaire à la Faculté des sciences et membre du projet IceCube. Ils ne sont pas absorbés, contrairement aux grains de lumière que sont les photons, ni déviés de leur route par des champs magnétiques, comme le seraient les particules chargées. Créés dans les étoiles, lors des supernovas, aux abords des trous noirs ou encore quand les rayons cosmiques de haute énergie frappent l’atmosphère, les neutrinos représentent donc des messagers de l’univers profond extrêmement précieux.»

Le neutrino est venu à la connaissance des humains de manière peu conventionnelle. Bien avant d’avoir été vu, son existence est proposée en 1930 par le physicien américain d’origine italienne Enrico Fermi. Les expériences nucléaires d’alors ont en effet mis en évidence la disparition d’une petite quantité d’énergie lorsqu’un neutron se désintègre en un proton et un électron. Pour corriger cette anomalie, Fermi imagine une nouvelle particule, le «neutrino », émise lors de la réaction et qui permettrait de sauver le principe de la conservation de l’énergie (rien ne se perd, rien ne se gagne, tout se transforme).

Il faut attendre 1956 pour que Frederick Reines et Clyde Cowan fassent passer le neutrino de la fiction à la réalité. Ils y parviennent en installant un détecteur spécial juste à côté d’un réacteur nucléaire, gros émetteur de neutrinos. Par la suite, des expériences menées aux Etats-Unis, en Europe et au Japon précisent progressivement le portrait de la particule. Il s’avère qu’elle existe sous trois saveurs (appelées neutrino-électron, neutrino-muon et neutrino-tau), qu’elle n’a pas de charge électrique et que sa masse, bien que non nulle, est très faible. Elle n’est sensible qu’à une seule des quatre forces de la nature, la force faible, celle qui est responsable de certaines réactions nucléaires et dont la portée est très courte – elle ne dépasse guère le rayon du noyau atomique. En d’autres termes, une fois que le neutrino est créé, quasiment plus rien ne l’arrête.

Pour s’en convaincre, il suffit de préciser que chaque centimètre carré de la Terre reçoit, par seconde, plus de 65 milliards de neutrinos, principalement produits par le Soleil. Le volume de la planète étant principalement composé de vide si on l’observe à l’échelle atomique, tous traversent la planète comme si elle était transparente. Seuls quelques-uns, un sur 10 milliards environ pour ce qui concerne les neutrinos solaires de loin les plus abondants, entrent par hasard en collision avec des noyaux atomiques. Ces accidents fortuits provoquent une réaction mesurable.

Les propriétés particulières des neutrinos représentent un avantage indéniable pour l’astrophysique. Dans le cas d’une supernova, par exemple, ils emportent avec eux environ 99% de l’énergie libérée. De plus, s’ils sont créés au coeur d’une telle explosion ou simplement au centre d’une étoile, ils peuvent s’échapper sans être réabsorbés par la matière environnante. Ils traversent de la même manière n’importe quel nuage de poussière. Les neutrinos cosmologiques qui arrivent sur Terre sont donc souvent des messagers directs d’événements lointains alors que les photons sont en général issus d’un rayonnement secondaire, produit à la surface d’un astre.

«Lors de la supernova de 1987, qui a explosé dans la galaxie voisine du Grand Nuage de Magellan, les neutrinos sont arrivés plusieurs heures avant la lumière visible qui était, elle, emprisonnée durant un certain temps par la matière en expansion, explique Teresa Montaruli. Les neutrinos peuvent donc être utilisés comme une alerte, indiquant aux astronomes qu’une supernova a éclaté. Cela leur laisse le temps de pointer leurs télescopes optiques dans la bonne direction pour observer le phénomène en direct.»

L’avantage des neutrinos, leur furtivité, devient un désavantage quand il s’agit de les détecter. Pour les arrêter, il faut un détecteur gigantesque, contenant beaucoup de noyaux atomiques afin d’augmenter les probabilités de collision. D’où la taille démesurée d’IceCube. Le détecteur du pôle Sud est composé de 86 puits de forage de 2,5 km de profondeur creusés dans la glace et disposés sous forme d’hexagone. Dans chaque puits, un «collier» de 60 détecteurs, espacés de 17 m, a été introduit. Les travaux ont duré cinq ans et, depuis décembre 2010, les 5160 «modules optiques digitaux» remplissent un volume de 1 km3.

Teresa Montaruli s’est rendue une fois en Antarctique pour assister au forage des puits et à l’installation de détecteurs. Les conditions de travail sont souvent difficiles: même s’il fait beau 24 heures sur 24 durant la «belle saison», le thermomètre ne monte que rarement audessus de -15° C (-75° durant la nuit polaire) et le vent balaye sans cesse un plateau gelé situé à plus de 2800 m d’altitude.

«Il n’est pas rare qu’en raison du manque d’oxygène et des conditions météorologiques extrêmes, des chercheurs commencent à se comporter bizarrement, de manière un peu excentrique», note-t-elle. La saison s’arrête avec l’unique crépuscule annuel. Le 15 février, tout le monde doit avoir quitté la station, sauf l’équipe réduite qui hiverne. Au-delà de cette date, l’avion muni de skis qui fait la navette avec la côte ne peut plus voler à cause du froid. Ensuite, une nuit de six mois recouvre la Station Amundsen-Scott.

La glace offre un médium intéressant pour la chasse aux neutrinos. Elle est transparente et, à cette profondeur, il fait très noir. Ce point est crucial car lorsqu’un neutrino cosmique rencontre un atome de glace, il produit en général une particule élémentaire spéciale, un muon. Ce dernier, une espèce de gros électron éphémère, possède d’emblée une très grande vitesse qui dépasse celle de la lumière dans la glace (pas dans le vide). Il émet alors une lumière bleue caractéristique (dite de Cherenkov) qui est détectée par les détecteurs d’IceCube.

«L’autre avantage de la glace est qu’elle est très homogène, précise Teresa Montaruli. A cette profondeur, la pression a expulsé toutes les bulles d’air. Seulement, ce que nous n’avions pas prévu, c’est qu’il existe une mince couche de cendre qui traverse IceCube à peu près en son milieu. Il s’agit des retombées d’un volcan qui est entré en éruption il y a des dizaines de milliers d’années et qui perturbent la réponse d’un certain nombre de détecteurs.»

Dirigés vers le centre de la Terre, les détecteurs d’IceCube s’intéressent avant tout aux neutrinos venus de l’espace lointain et ayant traversé sans encombre la planète. Ils étudieront également ceux qui sont produits dans l’atmosphère à la suite de chocs provoqués par des rayons cosmiques (formés de particules chargées comme des protons) de très haute énergie avec les atomes de l’air. Finalement, IceCube pourrait également apporter des éclairages sur la nature de la matière sombre ou encore sur l’habilité curieuse des neutrinos à «osciller», c’est-à-dire à changer spontanément d’identité en passant d’un type de neutrino à un autre.