La collaboration Super-K donne le top départ de la quête du fond diffus de neutrinos reliques de supernovas

Publié par Adrien le 07/10/2020 à 09:00
Source: CNRS IN2P3
En août 2020, la collaboration japonaise aux deux prix Nobel a ajouté dans l'eau de son immense cuve un nouvel ingrédient: le gadolinium. Ainsi "dopé", l'instrument s'ouvre à une quête inédite, celle du fond diffus de neutrinos (DSNB) produit par l'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 tout »,...) des explosions de supernovas depuis les premiers instants de l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.), et dans lequel nous baignons en permanence. L'équipe neutrinos du Laboratoire Leprince Ringuet (LLR) est à la manoeuvre depuis le début du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le...).

Michel Gonin, responsable de l'équipe neutrinos au LLR et responsable France pour la collaboration 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...) (Super-K) au Japon, ne mâche (La mâche (Valerianella locusta), aussi appelée blanchette, boursette, clairette, doucette, oreillette, rampon, valérianelle, ou, en Belgique, salade de blé,...) pas ses mots. "Nous entrons dans une ère 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...) extraordinaire avec cette nouvelle génération d'instrument, et la découverte du DSNB serait une étape majeure en cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.)." Le physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les...) fait référence ici au redémarrage de Super-K, 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 été...) géant de neutrinos japonais, dans un mode inédit au niveau mondial. Un mode qui le met en capacité de démontrer l'existence d'un rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) diffus de neutrinos de basse 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.) issu de l'addition (L'addition est une opération élémentaire, permettant notamment de décrire la réunion de quantités ou l'adjonction de grandeurs...) de toutes les explosions de supernovas ayant illuminé l'univers depuis ses débuts. Sa découverte ouvrirait un nouveau champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) d'étude unique et très riche d'enseignements pour les physiciens et cosmologistes: taux de formation des étoiles, évolution stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la famille des Caryophyllaceae. Il comprend près de 90 espèces réparties à travers le monde.), taux de formation des trous noirs (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....),...


Les neutrinos reliques du fond diffus de neutrinos de supernovas sont les neutrinos émis par l'ensemble des explosions de supernovas depuis les premiers instants de l'univers.
© 2020 Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo

Une explosion de supernova (Une supernova est l'ensemble des phénomènes conséquents à l'explosion d'une étoile, qui s'accompagne d'une augmentation...) par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est une mesure d'angle...) dans l'univers

"Il y a actuellement de l'ordre d'une explosion de supernova par seconde dans l'univers, dont 98% de l'énergie est dissipée par émission de neutrinos, précise Michel Gonin. Nous baignons en permanence dans un bain de ces neutrinos". Pour autant, une fois dilués dans tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) l'univers, ces neutrinos reliques ne sont pas si nombreux. "Leur 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...) est estimé à moins d'une centaine par centimètre (Un centimètre (symbole cm) vaut 10-2 = 0,01 mètre.) carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses quatre côtés ont la même longueur et ses quatre angles la...) et par seconde", poursuit le chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont diversifiés et impliquent d'importantes...). Et vu qu'ils interagissant très peu avec la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état...), la 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 importance...) d'en détecter un issu du DSNB relève de la gageure. Avec sa cuve de 50 000 tonnes d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), Super-K devrait en enregistrer au plus quelques dizaines par an. "Dans le meilleur des cas, selon la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance...), nous espérons en identifier une trentaine chaque année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.), ce qui nous permettrait d'atteindre un résultat irréfutable en 3 ans, commente le physicien. Si ce chiffre (Un chiffre est un symbole utilisé pour représenter les nombres.) tombe à 10, il nous faudra 8 à 9 ans de prise de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.)."

Du gadolinium pour capturer les neutrons

Avec l'ajout du gadolinium dans l'immense cuve d'eau, les physiciens de Super-K vont se concentrer sur l'analyse des antineutrinos de type électronique de basse énergie. Ces derniers forment 80% des neutrinos émis dans les explosions d'étoiles et déclenchent l'émissions de deux particules lorsqu'ils interagissent avec un noyau d'eau de la cuve, un positron (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron. Il possède une charge électrique de +1 (contre -1 pour l'électron), le même spin et la même masse...) et un neutron (Le neutron est une particule subatomique de charge électrique totale nulle.). Cette double signature est mise à profit par les scientifiques pour étudier sans aucune ambiguïté ces événements habituellement noyés dans un important 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.). Le positron sera identifié par émission Tcherenkov de 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...) alors que le neutron sera capturé par un noyau de gadolinium, très "gourmand" en neutrons et qui émet des photons après capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui passe au voisinage d'un astre, est retenu dans la gravisphère de ce dernier. La capture de l'objet céleste aboutit à...).


L'interaction d'un antineutrino électronique avec un noyau de l'eau du détecteur, produit un positron détectable par la trace (TRACE est un télescope spatial de la NASA conçu pour étudier la connexion entre le champ magnétique à petite échelle du Soleil et la géométrie du plasma coronal,...) lumineuse qu'il produit dans l'eau. La réaction produit aussi un neutron, dont la capture par le gadolinium produit des flashs de rayons gamma.
© 2020 Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo

Afin d'ajouter du gadolinium à l'eau ultra (ULTra (pour (en)« Urban Light Transport ») est un système de transport individuel de type Personal Rapid Transit (PRT), autrement...) pure, la collaboration Super-K a effectué en 2018 de très importants travaux de rénovation et d'amélioration du détecteur ainsi que de nombreux tests. "Les 50 millions de litres d'eau de la cuve sont filtrés en permanence dans un circuit haut débit (Le terme de haut débit (ou large bande par traduction littérale de l'expression anglosaxonne broadband) fait référence à des capacités d'accès à internet...), indique le chercheur. Il a fallu mettre en place une 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...) assez complexe pour isoler le gadolinium lors du filtrage puis le réinjecter juste après. Ce dispositif original et très complexe a été testé au préalable dans un démonstrateur, une sorte de mini (MINI est une marque automobile de BMW Group. L'ancien modèle Mini était construit par MG Rover.) Super-K de 200 tonnes d'eau appelé EGADS."


Le détecteur a été entièrement rénové avant d'être remis en eau avec du gadolinium. Image LLR

Une efficacité de détection de 50%

En tout, 13 tonnes de gadolinium ont été introduits dans la cuve pour monter progressivement à une concentration de 0,02%. L'efficacité de détection des neutrons est ainsi portée à 50% et suffit pour commencer à prendre des données. Début septembre, le détecteur était stabilisé et les ordinateurs de la salle de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) "SK" du LLR ont commencé à enregistrer les premières captures de neutrons par le gadolinium. "Ces premières mesures sont très encourageantes, se réjouit Michel Gonin. On identifie déjà des neutrons, notamment ceux issus des rares muons cosmiques qui ont réussi à traverser les 1000 mètres de roche (La roche, du latin populaire rocca, désigne tout matériau constitutif de l'écorce terrestre. Tout matériau entrant dans la composition du sous-sol est formé par un...) depuis 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 confondu avec sa...) pour interagir dans la cuve. C'est un bruit (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...) de fond physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la...) connu et prédit par les simulations."

Désormais, les scientifiques de la collaboration vont rester à l'écoute (Sur un voilier, une écoute est un cordage servant à régler l'angle de la voile par rapport à l'axe longitudinal du voilier et en conséquence l'angle d'incidence du vent sur la voile. Il y a une écoute dédiée à chaque voile hissée...) des neutrinos cosmiques et tester toutes les facettes de leur nouveau détecteur pour en améliorer les performances. Principalement, en caractérisant au plus près le bruit de fond afin de l'éliminer toujours plus efficacement, et de ne pas perdre un seul de ces précieux neutrinos reliques du DSNB.

A propos de la collaboration Super-Kamiokande

La collaboration Super-Kamiokande regroupe environ 150 physiciens de 40 instituts situés au Japon, USA, Corée, Chine, Canada et en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme...). Le détecteur Super-Kamiokande est constitué d'une immense cuve en acier inoxydable (Les aciers inoxydables jouent un grand rôle dans d'innombrables domaines : vie quotidienne, industrie mécanique, agroalimentaire, chimie, transports, médecine, chirurgie, etc. Ce sont des aciers, alliages de fer et de...) de 39 mètres 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 segment. Pour indiquer qu'une...) et 41 mètres de hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.), rempli avec plus de 50 000 tonnes d'eau ultra pure. Environ 13 000 photomultiplicateurs sont installés sur l'ensemble des parois de la cuve pour enregistrer l'émission de photons produits par l'interaction des neutrinos avec l'eau. Le détecteur est situé à 1000 mètres sous 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...) dans l'ancienne mine de Kamioka à Hida-city dans la préfecture de Gifu au Japon.

Pour en savoir plus

Le site de l'expérience (en anglais): http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/physics/srn-e.html

Communiqué de presse de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) de Tokyo (en anglais): https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/press/z0508_00126.html
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