Observer des neutrinos 2 km sous terre

Publié par Adrien le 05/04/2020 à 09:00
Source: Université de Sherbrooke
Quand des chercheurs résument leur projet de recherche dans le cadre d'une porte en mentionnant qu'il pourrait contribuer à révolutionner le modèle standard de la physique élémentaire des particules, on sait que l'entrevue aura lieu. Il y a quelque chose qui vient titiller la curiosité intellectuelle dans ce sujet: le monde (Le mot monde peut désigner :) tel qu'on le comprend - ou tel qu'on ne le comprend pas encore ! - pourrait changer du tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) au tout. Fascination, quand tu nous tiens.

Professeurs au Département de génie électrique et génie informatique (Le génie informatique, ou ingénierie informatique, est une discipline qui traite de la conception, du développement et de la fabrication de systèmes informatiques, à la fois matériels et...), Jean-François Pratte et Serge Charlebois travaillent actuellement sur un projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et...) de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne...) où l'ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements d'une installation technique ou industrielle.) est de mise tout en flirtant solidement avec la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans...).


Les Prs Serge Charlebois et Jean-François Pratte.
Note: image prise en février, avant que les mesures de distanciation soient en vigueur.
Photo: Michel Caron - UdeS

"On présume que, lors du Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que l’ensemble des modèles cosmologiques...), autant de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La...) que d'antimatière (L'antimatière est l'ensemble des antiparticules des particules composant la matière classique — celle dont est faite la Terre. Le préfixe « anti- » signifie que l'antimatière est...) auraient été créées. Cependant, ce n'est pas ce que nous observons aujourd'hui. Nous vivons dans un univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) dominé par la matière, et ce sont les neutrinos - minuscules particules élémentaires - qui pourraient nous aider à mieux comprendre ce déséquilibre, annonce d'entrée de jeu Serge Charlebois. Les deux chercheurs qui ont reçu le prix Nobel de la physique en 2015, dont le Canadien Arthur B. MacDonald, ont démontré que les neutrinos ont en fait une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse...) minime, ce qui a amené les scientifiques à se questionner sur la possibilité que le neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.) et son opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à ajouté à n donne zéro. En botanique, les organes d'une plante sont dits opposés lorsqu'ils sont insérés au même niveau, l'un en face...), l'antineutrino, puissent en fait être la même particule, une famille proposée sous le nom de particule de Majorana, encore jamais observée. Est-ce qu'une particule pourrait être sa propre antiparticule (A chaque type de fermions fondamentaux correspond un type d'antiparticule. Ainsi, à l' électron est associé au positron, et les quark, à leurs antiquark. La première...) ? Pour pouvoir déterminer que c'est bel (Nommé en l’honneur de l'inventeur Alexandre Graham Bell, le bel est unité de mesure logarithmique du rapport entre deux puissances, connue pour exprimer la...) et bien le cas, il faudrait observer ce que l'on appelle ″une double désintégration bêta dite sans émission de neutrinos."

Cette découverte pourrait ouvrir la voie à une "nouvelle" physique et pourrait même révolutionner notre compréhension de l'Univers.

Des milliards de milliards de neutrinos chaque seconde

Détecter les neutrinos s'avère un brin compliqué: bien qu'elles soient les particules les plus abondantes dans l'Univers après les photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d'un point de vue...), elles sont presque impossibles à saisir, à détecter. Elles n'interagissent presque jamais avec la matière: selon certaines sources, sur des milliards de milliards de neutrinos qui traversent la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des...) chaque seconde, un seul neutrino parviendrait à interagir avec un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite...) !

Un projet de 300 millions $ pour étudier les neutrinos

Le gouvernement américain est à la tête d'un énorme projet de recherche d'environ 300 M$, qui vise justement à étudier les neutrinos. On veut mettre au point (Graphie) un détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été spécifiquement conçu.), appelé nEXO, qui sera conçu pour améliorer la sensibilité des mesures actuelles de détection des neutrinos de plus d'un ordre de grandeur. Il sera l'un des détecteurs les plus sensibles jamais construits et serait situé à SNOLab, près de Sudbury, en Ontario, endroit où a eu lieu l'expérience sur les neutrinos solaires qui a mené au prix Nobel de 2015. Pourquoi à cet endroit, situé à 2 km en dessous de la terre ? Parce que la croûte terrestre (La croûte terrestre est la partie superficielle et solide du matériau dont est faite la Terre. C'est la partie supérieure de la lithosphère (qui constitue les plaques tectoniques).) agit comme un écran (Un moniteur est un périphérique de sortie usuel d'un ordinateur. C'est l'écran où s'affichent les informations saisies ou demandées par l'utilisateur et générées ou restituées par...) contre les émissions cosmiques qui pourraient trafiquer les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique...) et que cela permet de prendre le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) du milieu dans lequel les expériences seront réalisées.

"Juste faire cet énorme trou a coûté des centaines de millions de dollars, illustre Jean-François Pratte. SNOLab est la salle blanche la plus profonde du monde. Au même titre que d'autres groupes de recherche, on essaie de développer la meilleure technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) qui sera choisie pour être utilisée dans cet énorme détecteur nEXO." Comme le résume si bien James Siegrist, directeur adjoint au Bureau de la science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large. L'ensemble de connaissances, d'études...) du ministère de l'Énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) des États-Unis, "comme dans une échappée en cyclisme, chacun veut gagner, mais le groupe est utile à tous".

40 watts pour 10 0000 détecteurs!

Voilà où l'ingénierie de nos deux chercheurs embarque. "Ce qui nous distingue des autres groupes, c'est l'utilisation d'une technologie numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition à une information dite...) plutôt qu'analogique (Le concept d'analogique est utilisé par opposition à celui de numérique.), poursuit le professeur Pratte. La plupart des groupes utilisent une vieille″ technologie des années 2000 parce qu'elle est stable et qu'elle a fait ses preuves. Mais si nos travaux réussissent, on obtiendrait une nouvelle technologie de capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la déviation d'une aiguille…....) avec une précision inégalée, appelés ″convertisseurs photon-numériques 3D″. Pour l'obtention de la sensibilité requise de nEXO, on a besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories :...) de combiner deux mesures, soit la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) et la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet)...). Nos capteurs pourront justement capter la portion lumière - en comptant un à un les photons - pour enregistrer des signaux lumineux qui pourraient avoir la signature de la désintégration que nous cherchons. Et vous savez quelle sera la consommation pour les 10 000 détecteurs utilisés ? 40 watts. Comme une ampoule de cuisinière !"

Tout le xénon-136 de la planète...ou presque !


Photo: nEXO Collaboration

Les détecteurs seront installés dans un énorme cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée génératrice, passant par un point variable décrivant une courbe plane fermée (c), appelée courbe...) de 1,3 mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international (SI). Il est défini, depuis 1983, comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en...) de haut sur 1,3 mètre de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce...) appelé TPC - ou chambre à projection (La projection cartographique est un ensemble de techniques permettant de représenter la surface de la Terre dans son ensemble ou en partie sur la surface plane d'une carte.) temporelle. On parle donc d'une superficie (L'aire ou la superficie est une mesure d'une surface. Par métonymie, on désigne souvent cette mesure par le terme « surface »...) d'environ 5 mètres carrés à recouvrir de photodétecteurs. Un terrain de jeu incroyable pour cette équipe qui, jusqu'à maintenant, n'a jamais eu à intégrer des détecteurs sur une telle surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...). "Dans ce cylindre, on retrouvera 5 tonnes de xénon-136 liquéfié, explique Serge Charlebois. Parce que s'il y a un milieu dans lequel on pourrait espérer observer de doubles désintégrations bêta sans neutrinos, c'est dans ce gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume...), à cause de ses propriétés. On va vouloir le xénon (Le xénon est un élément chimique, de symbole Xe et de numéro atomique 54. Le xénon est un gaz noble, inodore et incolore. Dans une lampe à décharge, il émet une lumière bleue.) le plus pur possible et en très grande quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un...): la quantité qui sera nécessaire avoisine la production annuelle sur la planète Terre ! Ce cylindre sera ensuite lui-même plongé dans l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), pour encore plus se blinder contre les rayonnements parasites ambiants."

C'est un projet de longue haleine (L'haleine est l'air qui est chassé des poumons d'un sujet au moment de l'expiration, et qui s'exhale par la bouche.): si le projet suit son cours et que nEXO choisit l'équipe sherbrookoise pour ses capteurs, l'aventure pourrait s'échelonner sur 10 ans. "C'est difficile de dire quand exactement pourra commencer la prise de mesures, mais on évalue que ce sera avant 2030. Et c'est un one shot deal, comme l'affirme Jean-François Pratte. High risk, high gain. Une fois que le tout est installé, scellé, et que la prise de mesures commence, on ne peut plus rien réparer: ça doit fonctionner !"

Des télécommunications aux véhicules autonomes

Les demandes de financement pour le développement de ces capteurs de photons avancés sont en évaluation en ce moment par les organismes subventionnaires canadiens. Le projet mobilise la recherche universitaire en physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi physique des hautes énergies car de...) et en microélectronique, ainsi que le secteur industriel de la microélectronique à Bromont: le projet prévoit la microfabrication des photodétecteurs chez Teledyne DALSA, et l'assemblage des modules de photodétecteurs, au Centre de Collaboration MiQro Innovation (C2MI).

Membres tous les deux de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) interdisciplinaire (Un travail interdisciplinaire intègre des concepts provenant de différentes disciplines.) d'innovation technologique (3IT) et de l'Institut quantique (IQ), les deux chercheurs insistent sur deux aspects: toutes les connaissances produites par ce projet pourront servir à d'autres applications. Les photodétecteurs qu'ils développent pourraient voir leur utilité appliquée dans les télécommunications, dans les véhicules autonomes ou dans l'instrumentation (Le mot instrumentation est employé dans plusieurs domaines :) médicale.

Au cours des trois prochaines années et pour ce projet seulement, au moins 12 étudiants de 1er cycle et 12 étudiants aux cycles supérieurs seront formés, toujours en lien avec le créneau (Au Moyen Âge, le mot créneau, ou en ancien français quernal, aquarniau, carnel ou créniau, désignait toute ouverture pratiquée au sommet d'une tour ou d'une courtine, couverte ou découverte, et qui servait à...) d'excellence de l'Industrie des systèmes électroniques du Québec ainsi que de l'optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) et photonique. D'ailleurs, si certains étudiants sont attirés par ce sujet de recherche, des projets de maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de « maître ». Il existe dans plusieurs pays et...) et de doctorat (Le doctorat (du latin doctorem, de doctum, supin de docere, enseigner) est généralement le grade universitaire le plus élevé. Le titulaire de ce grade est le docteur. Selon les pays et les époques, le...) sont toujours disponibles en lien avec cette aventure subatomique !

Le nEXO sera l'un des détecteurs les plus sensibles jamais construits et il devrait être le chef de file dans ce domaine pendant au moins une décennie (Une décennie est égale à dix ans. Le terme dérive des mots latins de decem « dix » et annus « année.). Belle occasion pour nos chercheurs sherbrookois d'asseoir une expertise mondiale en photodétection de basse intensité et de mousser la réputation du Québec en physique subatomique.
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