Neutrino
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Les télescopes à neutrinos

Notre ciel a toujours été observé à l’aide des photons à des énergies très différentes allant des ondes radios aux rayons gamma. L’utilisation d’une autre particule pour observer le ciel permettrait d’ouvrir une nouvelle fenêtre (En architecture et construction, une fenêtre est une baie, une ouverture dans un mur ou un pan incliné de toiture, avec ou sans vitres.) sur l’Univers. Le neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.) est pour cela un parfait candidat :

  • il est stable et ne risque pas de se désintégrer au cours de son parcours ;
  • il est neutre et n’est donc pas dévié par les champs magnétiques. Il est donc possible de localiser approximativement la direction de sa source ;
  • il possède une très faible section efficace (Une section efficace est une grandeur physique correspondant à la probabilité d'interaction d'une particule pour une réaction donnée de la physique nucléaire ou de la physique des particules. L'unité de...) d’interaction et peut ainsi s’extirper des zones denses de l’univers comme les abords d’un trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper (à l'exception...) ou le cœur des phénomènes cataclysmiques (il faut préciser que les photons que nous observons des objets célestes ne nous proviennent que de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement...) des objets et non pas du cœur) ;
  • il n’interagit que par interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en...) faible et transporte ainsi des informations sur les phénomènes nucléaires des sources, contrairement au photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules...) qui est issu de processus électromagnétiques.

Une nouvelle astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs propriétés physiques et chimiques. Elle ne doit pas être confondue avec...) complémentaire est ainsi en train (Un train est un véhicule guidé circulant sur des rails. Un train est composé de plusieurs voitures (pour transporter des personnes) et/ou de plusieurs wagons (pour transporter des marchandises), et peut...) de se créer depuis une dizaine d’années.

Un des principes possibles pour un tel télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant « regarder, voir »), est un instrument d'optique permettant d'augmenter la luminosité ainsi que...) est d’utiliser 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 quatre planètes...) comme cible permettant d’arrêter les neutrinos astrophysiques. Lorsqu’un neutrino muonique traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir l'écartement et l'inclinaison, et transmettre au ballast les charges des...) la Terre, il a une faible chance d’interagir et ainsi d’engendrer un muon (Le muon est, selon le modèle standard de physique des particules, le nom donné à deux particules élémentaires de charge positive et négative. Les muons ont une masse 207 fois plus grande que...). Ce muon, s’il a une 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.) au-delà d’une centaine de GeV, est aligné avec le neutrino et se propage sur une dizaine de kilomètres dans la Terre. S’il a été créé dans 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...), il va pouvoir sortir de la Terre et se propager dans la mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.) où seraient installés les télescopes à neutrinos. Ce muon allant plus vite que la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour « célérité », la lumière se manifestant macroscopiquement comme un phénomène...) dans l’eau, il engendre de 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) à 780nm...) Tcherenkov, l’équivalent pour la lumière du bang supersonique (Le bang supersonique caractérise le bruit causé par une onde de choc d'un objet physique comme un avion (ou le bout d'un fouet) qui atteint une vitesse...). Il s’agit d’un cône de lumière bleutée. Ce type de télescope à neutrinos est constitué d’un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un...) tridimensionnel de détecteurs de photons (des photomultiplicateurs) qui permet de reconstruire le cône Tcherenkov, et donc la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) du muon et du neutrino incident, et ainsi la position de la source dans le ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.). La résolution angulaire actuelle est de l’ordre du degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :).

Ces télescopes à neutrinos sont déployés dans un grand volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) d’eau liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) ou de glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) pour que la lumière émise par le muon soit perceptible. Des dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si...) de l’ordre du kilomètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans...) cube (En géométrie euclidienne, un cube est un prisme dont toutes les faces sont carrées. Les cubes figurent parmi les solides les plus remarquables de l'espace. C'est un des cinq solides de Platon, le seul ayant...) pour avoir une sensibilité suffisante aux faibles flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est employé dans les...) cosmiques. Ils doivent être placés sous des kilomètres d’eau pour, d’une part, être dans l’obscurité absolue (L'absolue est un extrait obtenu à partir d’une concrète ou d’un résinoïde par extraction à l’éthanol à température...), et, d’autre part, pour avoir un blindage aux rayons cosmiques qui constituent le bruit de fond (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.) principal de l’expérience.

Les télescopes à neutrinos, ces immenses volumes situés aux fonds des eaux et regardant sous nos pieds, constituent une étape majeure dans le développement de l’astrophysique des particules et devrait permettre de nouvelles découvertes en astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et...), cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.), matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre) désigne la matière apparemment indétectable, invoquée pour rendre compte d'effets inattendus, notamment au sujet des...) et oscillations de neutrinos. Sont actuellement en fonctionnement IceCube, en Antarctique (L'Antarctique (prononcé [ɑ̃.taʁk.tik] Écouter) est le continent le plus méridional de la Terre. Situé au pôle Sud, il est entouré de...), et Antares, dans la mer Méditerranée (Méditerranée signifie entre les terres. La mer Méditerranée est une mer intracontinentale presque fermée située entre l'Europe, l'Afrique et l'Asie et qui s'étend sur une superficie d'environ 2,5...).

Expériences actuelles

Différentes expériences de 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...) cherchent à améliorer les connaissances sur les neutrinos, et en particulier sur leurs oscillations. Outre les neutrinos créés par les réactions nucléaires dans le Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et...) et ceux venant de la désintégration bêta dans les centrales nucléaires, les physiciens étudient également des neutrinos créés dans les accélérateurs de particules (comme dans les expériences K2K (K2K (pour KEK to Kamioka) est une expérience japonaise de physique des particules, qui concerne les neutrinos. KEK étant le centre de recherche de Tsukuba...) et CNGS).

L’avantage de ce type d’expérience est de contrôler le flux et le moment où les particules sont envoyées. De plus, on connaît leur énergie et la distance qu’elles parcourent entre leur production et leur détection. On peut ainsi se placer aux extremums des oscillations où la mesure des paramètres d’oscillation est la plus précise.

Ainsi, le 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...) OPERA (en), installé dans le tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de fer, canal, route, chemin piétonnier). Sont apparentés aux tunnels par leur mode de construction les grands...) du Gran Sasso en Italie, cherche depuis 2006 à détecter les neutrinos tauiques issus de l’oscillation de neutrinos muoniques générés au CERN, à 732 km. Le 31 mai 2010, la collaboration OPERA a annoncé avoir mis en évidence avec une probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités est un sujet de grande...) de 98 % un évènement de ce type, ce qui serait la première constatation d’une oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à amplitude constante soit amorties. Elles répondent aux mêmes équations quel que soit le...) vers le neutrino tauique.

En 2010, plusieurs autres expériences devraient débuter :

  • T2K, situé au Japon, utilise un faisceau de neutrinos créé par l’accélérateur JPARC à Tokai. À la manière de son prédécesseur K2K, il détecte le flux de neutrinos par un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) d’appareils complémentaires à 280 m du point (Graphie) de création du faisceau, puis observe les neutrinos interagissant à 295 km de là dans Super-Kamiokande (L'expérience Super-Kamiokande, situé au Japon près de la ville de Mozumi, consiste en un immense cylindre de 40m de haut et 40m de diamètre rempli de plus de 50 000 tonnes d'eau ! Son emplacement dans une mine, en-dessous d'une...), le célèbre détecteur Cerekov à eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.). En mesurant l’apparition de neutrinos électroniques dans ce faisceau de neutrinos muoniques, il compléterait pour la première fois la matrice d’oscillation des neutrinos (cf. Oscillation de neutrinos).
  • Double CHOOZ, situé en France (Chooz, Ardennes), utilisera le réacteur nucléaire (Un réacteur nucléaire est un dispositif dans lequel une réaction en chaîne est initiée, modérée et contrôlée par l'humain — ou par la nature, comme dans le seul cas connu du...) de Chooz afin d’en détecter les neutrinos électroniques. Un détecteur proche et un lointain permettront de mesurer la différence de flux et ainsi mesurer une disparition de ces neutrinos, disparition caractéristique du phénomène d’oscillation. L’objectif est donc similaire à celui de l’expérience T2K, mais par des méthodes complémentaires.

Mais les oscillations ne sont pas la seule préoccupation des scientifiques : l’expérience KATRIN, installée en Allemagne, cherche quant à elle à mesurer directement la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la...) du neutrino, par l’étude du spectre de désintégration bêta du tritium (Le tritium (T ou 3H) est - comme le deutérium - l'un des isotopes de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 2 neutrons. Il a été mis en évidence en 1934, par Ernest Rutherford, dans la réaction nucléaire...).

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