Expérience OPERA: le "voyage intérieur" des neutrinos

730 kilomètres sous terre ! C'est le voyage qu'entreprendront des milliards de neutrinos, partant de Genève pour aller dans les Abruzzes près de Rome (1). A l'arrivée, une poignée d'entre eux se seront transformés. En braquant leur attention sur ces quelques cas, les scientifiques comptent bien apporter la preuve définitive de cette transformation. Ils élucideront ainsi certaines des questions qu'ils se posent sur ces particules et leurs interactions. L'expérience OPERA (2), qui détectera les fameux neutrinos a été inaugurée le 11 septembre. Le CNRS-IN2P3 (3) y est impliqué au travers de quatre de ses laboratoires (4).


Dans la deuxième quinzaine d'août, les premiers neutrinos sont partis du CERN. Le faisceau était dirigé vers le laboratoire du Gran Sasso (1), plus grand site souterrain du monde pour la recherche expérimentale en physique des particules, situé à 730 kilomètres de là aux environs de Rome. Il a atteint les détecteurs de l'expérience OPERA, dont l'objectif est d'observer la transformation (ou oscillation) de quelques-uns des neutrinos (qui sont de type muon) en neutrinos d'un autre type (des neutrinos tau). L'expérience OPERA est souterraine afin que les détecteurs soient protégés des rayons cosmiques par une montagne (1400 mètres de roche). Après les essais du mois d'août et l'inauguration en septembre, OPERA doit démarrer en octobre.

Les neutrinos, produits dans les étoiles, sont les particules de matière les plus abondantes de l'Univers. Chaque centimètre carré de notre planète reçoit 60 milliards de neutrinos (venant du Soleil) par seconde. Pourtant, les neutrinos interagissent tellement peu avec la matière qu'ils sont difficiles à étudier. En particulier ils n'interagiront pas avec le sous-sol lors de leur parcours souterrain jusqu'en Italie. En outre, l'oscillation se produit au bout d'une grande distance parcourue, ce qui explique la longueur de ce "voyage intérieur" de 730 kilomètres.

Les scientifiques s'intéressent à la façon dont les neutrinos sont reliés entre eux, observable seulement si les neutrinos sont dotés d'une masse. Si tel est bien le cas, cela implique que les neutrinos ont joué un rôle dans l'évolution de l'Univers et constituent une partie (très petite) de la mystérieuse matière noire – invisible aux télescopes, qui se manifeste par des effets gravitationnels. Les relations des neutrinos entre eux et leurs masses pourraient aussi aider les scientifiques à développer une théorie des interactions fondamentales de la nature. En outre, ces éléments pourraient concourir à expliquer pourquoi, dans notre Univers, la matière a pris le pas sur l'antimatière. On comprend que l'enjeu est de taille.

Des expériences récentes, aux États-Unis et au Japon, ont déjà mis en évidence la disparition de neutrinos de type muon, ce qui suggère qu'ils se transforment en neutrinos de type tau. Avec OPERA, la première expérience du genre en Europe, les scientifiques veulent montrer, de façon directe, la production de neutrinos tau. Sur plusieurs milliards de neutrinos muon partant du CERN, 30 000 interagiront avec les cibles d'OPERA (où le type des neutrinos sera révélé) et environ 15 seulement de ceux qui auront oscillé seront détectés pendant les cinq ans que durera l'expérience. C'est peu, mais suffisant pour que les physiciens complètent cette partie du "puzzle" des neutrinos.

Quatre laboratoires du CNRS-IN2P3 (4) ont travaillé sur OPERA avec d'autres équipes du monde entier (5). La coordination de l'expérience est assurée par un chercheur du CNRS, Yves Declais, de l'Institut de physique nucléaire de Lyon (4). Les laboratoires du CNRS-IN2P3 ont conçu et produit les détecteurs de l'ensemble formé par les 200 000 cibles, ainsi que leur électronique. Ces laboratoires ont aussi mis au point le système d'acquisition des données et le dispositif automatisé de manipulation des 200 000 cibles. Les laboratoires du CNRS-IN2P3 participeront à la collecte et à l'analyse des données.

Notes:

1 - Les neutrinos sont produits au CERN. Ils sont envoyés au Laboratoire national du Gran Sasso, de l'INFN (Instituto nationale di fisica nuclear) italien.

2 - Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus

3 - Institut national de physique nucléaire et de physique des particules

4 - Institut de physique nucléaire de Lyon(CNRS/Université Lyon 1)
Institut de recherches subatomiques de Strasbourg (CNRS/ Université Strasbourg 1)
Laboratoire de l'accélérateur linéaire (CNRS/Université Paris XI)
Laboratoire d'Annecy le Vieux de physique des particules (CNRS/Université de Savoie)

5 - Les principaux pays contributeurs sont l'Italie et le Japon, puis la France, l'Allemagne, la Suisse, la Belgique et la Russie.