Une nouvelle technologie pour détecter les neutrinos et étudier l'asymétrie matière-antimatière
Publié par Adrien le 02/12/2019 à 08:00
Source: CEA

(c)Max.Brice/Cern
La collaboration ProtoDUNE-DP, à laquelle participe l'Irfu, procède aux tests au Cern d'un détecteur de neutrinos "double phase", contenant près de 800 tonnes d'argon liquide et gazeux. Cette technique, potentiellement plus performante que la détection avec argon liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) seul, pourrait être utilisée pour l'expérience géante (Une étoile géante est une étoile de classe de luminosité II ou III. Dans le diagramme de Hertzsprung-Russell, les géantes forment deux branches au-dessus de la...) DUNE (Une dune est un relief composé de sable. Des dunes, dites « dunes hydrauliques », peuvent se former et se déplacer sous la mer. Toutes les dunes étant composées de sable, on ne parle pas...), qui démarrera en 2026 aux États-Unis et permettra notamment d'étudier l'asymétrie (L'asymétrie est l’absence de symétrie, ou son inverse. Dans la nature, les crabes violonistes en sont des exemples spectaculaires.) matière-antimatière.

Les neutrinos sont extrêmement abondants mais ils n'interagissent que 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 solide, l'état liquide, l'état gazeux....). Les détecteurs doivent donc être très grands et très précis. Ainsi l'expérience DUNE utilisera-t-elle quatre modules totalisant 70.000 tonnes d'argon. De très rares neutrinos interagiront avec les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une...) d'argon en produisant des électrons, qui seront détectés in situ, dans une "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". Celle-ci permet de reconstruire précisément 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.) des particules, de les identifier et de mesurer leur dépôt d'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.).

ProtoDUNE vise à préparer le passage à l'échelle hors norme (Une norme, du latin norma (« équerre, règle ») désigne un état habituellement répandu ou moyen considéré le plus souvent comme une règle à suivre. Ce terme générique...) de DUNE avec un 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'argon intermédiaire. Le premier prototype, mis en service en 2018, utilise la technique éprouvée "monophase", qui sera mise en oeuvre pour le premier module de DUNE. Le second, appelé ProtoDUNE-DP (double phase), présente une couche d'argon gazeux, située au-dessus du liquide. Cette innovation permet d'amplifier le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps par les hommes pour...) par rapport à une détection dans le liquide et donc, d'augmenter la sensibilité de l'expérience. Un atout important pour détecter des neutrinos provenant de supernovæ. La résolution spatiale sera également meilleure. Dernier avantage: les composants électroniques, situés dans le 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 propre : un gaz tend à occuper tout le...) en partie haute du 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...), resteront accessibles une fois le détecteur rempli d'argon liquide.

De la taille d'une maison (Une maison est un bâtiment de taille moyenne destiné à l'habitation d'une famille, voire de plusieurs, sans être considérée comme un immeuble collectif.) de trois étages, le prototype ProtoDUNE-DP double phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) a enregistré ses premières traces (TRACES (TRAde Control and Expert System) est un réseau vétérinaire sanitaire de certification et de notification basé sur internet sous la responsabilité de la Commission européenne dans le cadre du...) de particules en août 2019. Il collecte actuellement des rayons cosmiques puis recevra à partir de 2021, à la fin du long arrêt technique du LHC (Large Hadron (Un hadron est un composé de particules subatomiques régi par l'interaction forte. Dans le Modèle Standard de la Physique des particules, ces particules sont composées de quarks et/ou d'anti-quarks ainsi que de gluons.) Collider), un faisceau de particules créé par le super-synchrotron à protons du Cern.

DUNE sera composé d'un détecteur proche de la source de neutrinos (l'accélérateur de protons du Fermilab, près de Chicago) et d'un autre, distant de 1.300 kilomètres (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 le vide en...), dans le laboratoire souterrain Sanford, dans le Dakota du sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.), sous 1600 mètres de roches.

Les équipes françaises CEA et CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) sont impliquées dans l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) des points clés technologiques de ProtoDUNE-DP, en particulier la détection dans la phase gazeuse pour ce qui concerne l'Irfu. La collaboration DUNE compte plus de 1.000 scientifiques et ingénieurs de plus de 30 pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision...).
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