L’étude de divers phénomènes cosmiques, ainsi que des corps qui leur sont associés, se fait par l’enregistrement des particules émises par ces objets. Atteignant la Terre, ces radiations peuvent être enregistrées par les scientifiques à l’aide de différents types de télescopes.
Table des matières
Voyons ce qu’est un neutrino
Le flux de protons et de noyaux plus lourds peut atteindre des énergies énormes (10 21 eV). Cependant, comme ces particules ont une charge électrique, elles interagissent avec la magnétosphère terrestre et perdent une partie de leur énergie et de l’information sur leur trajectoire. À cause de ce phénomène, il devient impossible de déterminer la source et la nature de ces particules.
К незаряженным частицам, которые можно принять из космоса относятся фотоны. И хотя астрономы наблюдают их в очень широком диапазоне, все же фотоны высоких энергий (>Les rayons X (jusqu’à 100 GeV) sont absorbés trop rapidement et ne permettent pas de déterminer leur source. Pour cette raison, le champ de vision des astronomes est limité à une certaine distance et il n’est pas possible d’observer les confins de l’Univers.
Matériel sur le sujet
Cependant, il existe une autre particule qui n’a pas de charge et qui interagit faiblement avec la matière : les neutrinos. Ces particules naissent de l’interaction des noyaux et des protons avec la matière du corps source. En raison de leur faible interaction avec la matière et le champ électromagnétique, les neutrinos sont capables de voyager sans entrave sur de grandes distances sans changer de trajectoire. Ces propriétés des neutrinos donnent aux scientifiques la possibilité d’observer les coins les plus reculés de l’Univers en enregistrant et en étudiant les neutrinos arrivant de l’espace.
Une comparaison peut être faite avec la lumière visible du Soleil et son observation par le principal instrument optique humain, l’œil. Lorsque le Soleil se couche à l’horizon, la lumière visible qui ne peut pas traverser la Terre n’atteint pas la pupille de l’œil et ne peut pas être vue par l’homme. Cependant, si l’œil captait non pas la lumière, mais les neutrinos émis par le Soleil, l’homme pourrait alors voir le Soleil littéralement à travers la Terre, puisque les neutrinos sont capables de traverser la Terre. C’est pourquoi les scientifiques sont en mesure d’obtenir beaucoup plus d’informations sur les processus et les corps cosmiques grâce à des instruments capables d’enregistrer les neutrinos — les télescopes à neutrinos.
Enregistrement des neutrinos par le rayonnement Cherenkov
Mais la construction d’un instrument capable de capturer des particules aussi «insaisissables» que les neutrinos n’est pas une tâche facile. Après tout, comme nous l’avons dit précédemment, ces particules n’interagissent pratiquement pas avec leur environnement.
Moses Markov — à l’origine de l’étude des neutrinos
Moses Markov était un physicien théoricien soviétique qui a effectué de nombreux travaux dans le domaine de la physique des neutrinos et a démontré la possibilité d’observer les neutrinos dans des observatoires souterrains. En 1960, Moses a proposé d’enregistrer les neutrinos dans les lacs et les océans, en profondeur. Cela est possible grâce à ce que l’on appelle le rayonnement Cherenkov. En effet, la vitesse de la lumière à travers l’eau diminue légèrement en raison de l’interaction des photons avec l’eau. Dans le même temps, les neutrinos, à la suite de petites interactions avec l’eau, génèrent de nombreuses particules chargées qui ont une grande énergie et se déplacent dans l’eau plus rapidement que les photons, c’est-à-dire que la lumière, qui se déplace dans l’eau.
Lorsqu’une particule chargée se déplace dans un milieu transparent à une vitesse supérieure à celle de la lumière dans ce milieu, elle émet un grand nombre de photons qui peuvent être détectés. Ce phénomène est appelé effet Vavilov-Cherenkov.
Ainsi, les neutrinos qui se déplacent dans l’eau, lorsqu’ils interagissent avec le milieu, libèrent des particules chargées comme les muons (100 à 200 fois plus lourds qu’un électron) ou des cascades entières de particules composées d’électrons et de positrons. Ces particules chargées se déplacent dans l’eau à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière dans l’eau, et émettent donc un grand nombre de photons, qui sont captés par les télescopes à neutrinos.
En raison des caractéristiques «exotiques» de l’enregistrement des neutrinos, les télescopes à neutrinos ne ressemblent pas du tout à des télescopes optiques ou radio, mais plutôt à certaines installations utilisées en physique des particules élémentaires. L’enregistrement se fait au moyen de photodétecteurs qui captent le rayonnement Cherenkov. Pour amplifier ce rayonnement, les détecteurs doivent également comporter des photomultiplicateurs — des dispositifs qui amplifient le flux de photons par un facteur de 10 000.
Première génération de télescopes sous-marins à neutrinos
Depuis que le concept d’un instrument enregistrant les neutrinos a été proposé, le développement d’un tel télescope a commencé aux États-Unis. Dans les années 1970, la faisabilité d’un tel projet a été discutée et, dans les années 1980, le projet DUMAND a été développé. Le dispositif devait comporter environ 20 000 multiplicateurs répartis uniformément dans un kilomètre cube d’océan, au large des côtes d’Hawaï. Des structures sous-marines d’une telle envergure n’avaient jamais été créées auparavant et c’est pourquoi la réalisation du télescope à neutrinos américain a été plutôt lente. En 1988, le nombre de photomultiplicateurs du télescope a été réduit à 216, qui devaient être placés sur neuf rubans, semblables à des guirlandes. La première de ces guirlandes fut installée en 1993, mais la structure présentait des fuites d’eau et le connecteur reliant le télescope à la terre fut court-circuité et tomba en panne. La longue réalisation du projet, ainsi que l’échec de la première installation ont contraint les autorités américaines à cesser de financer cette recherche.
Schéma de fonctionnement du NT-200
Parallèlement à ces événements, le développement d’un télescope à neutrinos a eu lieu en URSS. En 1980, il a été décidé d’utiliser le lac Baïkal, qui a une profondeur suffisante et une eau très transparente, à cette fin. Pour mener à bien cette tâche, une collaboration appelée «Baïkal» a été créée, qui comprenait plusieurs instituts, dont l’Institut de recherche nucléaire de l’Académie des sciences de Russie (à l’époque, il s’agissait simplement de l’Académie des sciences). En 1994, le déploiement du NT-200 au fond du lac Baïkal a été achevé. Le télescope à neutrinos contenait près de 200 modules optiques (196) et, la même année, il a pu enregistrer les premiers neutrinos.
Un peu plus tard, les Américains ont tenté une deuxième fois de construire un télescope à neutrinos, cette fois dans la glace de l’Antarctique, car la glace est également un milieu transparent. Le forage du puits a été réalisé à l’aide d’eau chaude, puis des tubes photomultiplicateurs ont été descendus dans le puits. Les scientifiques n’ont eu que 48 heures pour réaliser cette opération, après quoi le puits gèlerait à nouveau. Ce détecteur était constitué de 677 modules optiques situés sur 19 câbles distincts, placés à une profondeur de 1 500 à 1 900 mètres et formant un anneau de 200 mètres de diamètre. Le projet a été baptisé AMANDA (Antarctic Muon And Neutrino Detector Array) et a été réalisé sur une période de cinq ans (1995-2000).
NT-200 et AMANDA étaient les télescopes à neutrinos de la première génération.
In 2008, a Eurasian collaboration (including MSU) developed another underwater facility to register neutrinos in the described way — ANTARES. It is still in operation today — in the Bay of Toulon near France. This facility consists of 12 30-meter vertical garlands attached to the bottom at one end and to the buoy at the other, each carrying 75 optical modules. The garlands are spaced 70 meters apart.
Further development of underwater neutrino telescopes
The three mentioned neutrino detectors showed the fundamental possibility of registering cosmic neutrinos from the far reaches of the Universe. However, at the same time it became clear that the existing detector sizes were extremely small for the desired detection intensity, and telescopes on the order of a cubic kilometer would be required for this purpose. As a result, work began on projects of this scale at all three locations.
Le premier projet achevé a été le successeur du détecteur AMANDA, l’observatoire de neutrinos IceCube, situé en Antarctique, à la station Amundsen-Scott, juste au pôle Sud de la Terre. Les détecteurs du télescope, sous forme de guirlandes, sont situés à une profondeur de 1450 à 2450 mètres, chacune de ces guirlandes comportant 60 photomultiplicateurs. Le projet est appelé «cube de glace» parce que le volume total à partir duquel le rayonnement Cherenkov est enregistré est d’un kilomètre cube. IceCube détecte les neutrinos qui proviennent du côté de la Terre. Cette configuration permet de filtrer le flux de neutrinos du flux total de particules pouvant provenir de l’atmosphère ou de l’espace. Pour autant que les scientifiques le sachent, seuls les neutrinos sont capables de traverser la matière terrestre. C’est pourquoi IceCube, situé au pôle Sud, capte les particules provenant de la face nord de la planète. Le lancement de ce détecteur moderne en 2011 a marqué le début de l’ère de l’astronomie des neutrinos. Il est prévu d’étendre ce télescope à neutrinos à 10 kilomètres cubes d’ici 2028.
Malgré son envergure, l’installation IceCube présente encore des inconvénients, qui sont dus au fait que la glace disperse encore quelque peu les photons qui naissent à l’intérieur et que, par conséquent, l’image obtenue depuis l’espace est quelque peu floue, en d’autres termes. Dans l’eau, il n’y a pratiquement pas de diffusion des photons et les observations seront beaucoup plus précises. C’est ce qui a justifié la construction de télescopes à neutrinos dans les deux autres lieux mentionnés
KM3NeT en vue d’artiste
Dans les années 2010, la création d’un réseau de télescopes à neutrinos au fond de la mer Méditerranée a commencé. Sur trois sites, au large de la France (KM3NeT-Fr), de l’Italie (KM3NeT-It) et de la Grèce, il était prévu de placer deux blocs de détecteurs d’un volume d’environ 0,5 kilomètre cube chacun. En 2015, la première guirlande de détecteurs KM3NeT-It a été installée près de l’observatoire ANTARES, au large de la Sicile, et en décembre de la même année, le nouveau télescope a commencé à enregistrer des neutrinos. Chaque unité KM3NeT-It sera située à une profondeur d’environ 3 400 mètres et les guirlandes ont une hauteur d’environ 700 mètres et forment une région de détection de 0,5 kilomètre cube. Les modules optiques sont espacés de 20 mètres sur la guirlande. Le détecteur français KM3NeT-Fr devrait être placé à une profondeur de 2 475 mètres. Bien qu’il ait le même nombre de nœuds que KM3NeT-It, sa taille sera 250 fois plus petite que celle du détecteur italien, car les nœuds seront beaucoup plus proches les uns des autres. KM3NeT-Fr pourra donc rechercher des neutrinos de masse inférieure. L’installation des six unités KM3NeT devrait être achevée d’ici 2025.
Immersion d’une partie du télescope Baïkal
Un télescope à neutrinos d’un kilomètre cube est également en cours de développement en Russie. En 2015, la collaboration Baikal a déployé la première grappe de guirlandes appelée Dubna. Cette grappe représente 192 modules optiques sphériques situés sur plusieurs guirlandes à une profondeur de 1300 mètres au fond du lac Baïkal. D’ici les années 2020, il est prévu de déployer une installation de 10 à 12 grappes d’un volume total d’environ 0,5 kilomètre cube.
Afin d’analyser conjointement les données des trois plus grands détecteurs de neutrinos, les trois collaborations (Baikal, KM3NeT et IceCube) ont fusionné au sein d’un consortium international, l’Observatoire mondial des neutrinos.
Emplacement des trois télescopes sous-marins à neutrinos
Détecteurs de neutrinos sous-marins
Outre plusieurs détecteurs de neutrinos sous-marins, il existe également des détecteurs souterrains qui fonctionnent sur le même principe. La différence réside dans le fait qu’un réservoir artificiel contenant de l’eau spéciale est utilisé pour la détection. En raison de leur emplacement, ces télescopes utilisent également des roches terrestres comme filtre à particules, ce qui évite aux détecteurs d’enregistrer des rayonnements étrangers (de fond), tels que les rayonnements cosmiques.
Super-Kamiokande à Tokyo
Le plus grand détecteur de neutrinos souterrain est Super-Kamiokande, situé légèrement au nord de Tokyo, dans une mine de zinc à une profondeur d’un kilomètre. Le détecteur est un réservoir de 40 mètres de diamètre et de 42 mètres de haut, en acier inoxydable. Il est rempli de 50 000 tonnes d’eau traitée. Sur les parois du réservoir se trouvent 11 146 photomultiplicateurs, dont la sensibilité élevée permet d’enregistrer un seul quantum de lumière. Super-Kamiokande a été achevé en
en 1996 et le nombre de photomultiplicateurs n’a cessé d’augmenter depuis.
Un autre détecteur, beaucoup plus petit que Super-Kamiokande, est situé près de la ville canadienne de Sudbury, dans une mine à une profondeur de deux kilomètres : l’Observatoire de neutrinos de Sudbury (SNO). Le SNO est une sphère en acrylique d’un diamètre de 12 mètres et d’une épaisseur de paroi de 5,5 cm, remplie d’eau lourde D2O et est recouverte de 9 600 tubes photomultiplicateurs. La sphère elle-même est placée dans un réservoir d’eau propre pour éviter que le détecteur ne soit contaminé par les produits de désintégration du thorium et de l’uranium, qui naissent dans la roche à l’extérieur de la mine. Le SNO n’est pas conçu pour enregistrer les neutrinos provenant des confins de l’espace, mais il est utilisé pour étudier l’émission de neutrinos par le Soleil. Après avoir servi de 1999 à 2006, le détecteur est actuellement en train d’achever un processus de remise à neuf. Il était prévu de remplacer l’eau lourde
par de l’alkylbenzène linéaire liquide, ce qui augmentera la sensibilité du détecteur.
Outre les détecteurs basés sur l’effet Vavilov-Cherenkov mentionnés ci-dessus, il existe de nombreux autres détecteurs qui fonctionnent selon un principe différent. Souvent, ces détecteurs enregistrent les neutrinos grâce à leur interaction avec des matériaux plus lourds que l’eau, et sont conçus non pas pour observer l’univers, mais pour étudier les propriétés des neutrinos eux-mêmes.
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Date de publication: 12-26-2023
Mettre à jour la date: 12-26-2023