Ricochet se lance dans la course à l'étude de l'interaction neutrino/noyau
Publié par Adrien le 16/06/2019 à 08:00
Source: CNRS IN2P3
C'est un des sujets brûlants du moment: l'interaction Neutrino/Noyau. A la dizaine d'expériences qui lui sont aujourd'hui consacrées à travers le monde, une nouvelle vient s'ajouter. Dénommée Ricochet, elle est conduite par Julien Billard, 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...) à l'IPNL, et Joe Formaggio, professeur au MIT. Leur stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie « conduire » - est :) ? S'appuyer sur les techniques de la chasse à la 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 galaxies. Différentes hypothèses ont été émises...) pour mieux scruter l'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 contact de sujets.).

Cela faisait 40 ans que les théoriciens avaient prédit le phénomène du "rebond" des neutrinos sur les noyaux atomiques. Un rebond très spécial que les physiciens appellent "la diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une information), voire...) cohérente élastique neutrino-noyau" (CeνNS), et dont l'observation (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 la très grande participation des...) fournirait une nouvelle façon d'explorer les propriétés du neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.). Un rebond qui est resté surtout insaisissable durant des décennies avant qu'en 2017 la collaboration Coherent (Le systèmes d'exploitation Coherent a été créé en 1983 par la défunte Mark Williams Company comme l'un des premiers systèmes de type UNIX pour ordinateur IBM PC-compatible....) ne l'observe. Dès lors, le monde (Le mot monde peut désigner :) de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) est entré en effervescence, et pas loin d'une dizaine de collaborations se sont lancées dans l'étude de cette interaction. Aujourd'hui, 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.) de Physique Nucléaire (La physique nucléaire est la description et l'étude du principal constituant de l'atome : le noyau atomique. On peut distinguer :) de Lyon (IPNL) rejoint le concert à la faveur d'une ERC Starting Grant décrochée par l'un de ses chercheurs Julien Billard. Le coup d'envoi du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité de...) Ricochet a été donné lors d'une réunion inaugurale qui s'est tenue les 6 et 7 mai dernier à l'IPNL en présence d'une trentaine de physiciens de laboratoires du 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).) et de laboratoires russes et américains.


La réunion inaugurale de Ricochet s'est tenue les 6 et 7 mai dernier à l'IPNL en présence d'une trentaine de physiciens de laboratoires du CNRS et de laboratoires russes et américains.

Pour bien comprendre l'engouement autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco,...) de l'interaction neutrino/noyau, il faut savoir que son étude précise pourrait ouvrir une brèche ( La Brêche ou Brèche est une rivière française située dans le département de l'Oise. La brèche est une roche. La Brèche est la place centrale de la...) dans le tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) puissant modèle standard. Une éventualité, qui remettrait en selle nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de théories alternatives (Alternatives (titre original : Destiny Three Times) est un roman de Fritz Leiber publié en 1945.) impliquant de nouvelles particules médiatrices. Reste que, détecter et mesurer avec précision un rebond de neutrino 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.) sur un noyau n'a rien de trivial. Loin de là ! Le choc (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de civilisation ou de particules de hautes énergies.) en question, en plus d'être extrêmement rare, provoque un ridicule échauffement d'1 millionième de Kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par convention, les noms d'unité sont des noms communs et s'écrivent en...)... Imperceptible pourrait-on penser, mais pas pour les chercheurs de Ricochet. "Dans l'expérience Edelweiss (EDELWEISS est un acronyme (choisi par jeu de mot avec la fleur Edelweiss) signifiant Expérience pour Détecter Les WImps En Site Souterrain (les Wimps étant des particules hypothétiques, voir plus bas).) de détection de 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. La...) noire" explique Alexandre Juillard (Ingénieur 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...) à l'IPNL), "nous avions créé des détecteurs capables de mesurer des dissipations de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) de l'ordre de quelques dizaines de micro-K. C'est donc ce même système que nous allons adapter et perfectionner pour mesurer la diffusion du neutrino." Leur système est un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition...) parfait de quelques dizaines de grammes de Germanium, de Silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.), de Zinc (Le zinc (prononciation /zɛ̃k/ ou /zɛ̃ɡ/) est un élément chimique, de symbole Zn et de numéro atomique 30.) ou bien d'Aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse...), et refroidi dans un cryostat pour que ses 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 autre. Il est généralement constitué d'un...) cessent de vibrer. Résultat le cristal affiche un "encéphalogramme énergétique" totalement plat et il ne reste plus qu'à attendre qu'un neutrino y laisse sa 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, à travers des images haute...). Quand un neutrino interagit avec un noyau du cristal, il déplace le noyau, provoque un réarrangement du cristal, et le petit échauffement que l'équipe cherche à mesurer.


Cryostat de R&D fourni par le Labex LIO pour le développement des bolomètres de l'expérience Ricochet. Photo IPNL

Il faut ensuite que l'événement se produise. Hélas, les neutrinos interagissant très peu avec la matière, et la probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques,...) que le cristal capte un événement est juste infime. Certes les chasseurs de matière noire sont les rois de la patience, eux qui étaient à l'affut d'un événement qui ne devait se produire statistiquement qu'une fois par an dans leur 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...), mais il ne faut pas exagérer. Les physiciens vont donc forcer le destin en allant s'installer auprès d'un 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...), là où les neutrinos sont produits en 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 contribution du corps à la force de...) à raison d'un 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...) de 10^12 neutrinos par cm² et 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...). Un déluge qui ramène la probabilité d'interaction avec un cristal d'un kilo à une dizaine d'événements par jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil...). Nettement plus alléchant. L'équipe de la collaboration Ricochet est donc à la recherche d'un hébergement de quelques mètres carrés avec vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) imprenable sur un coeur de réacteur (Un réacteur peut désigner :). Plusieurs options sont étudiées dont celle de succéder à l'expérience Stereo (Stereo (Solar TErrestrial RElations Observatory) est une mission spatiale de la NASA réalisée dans le cadre du programme international d'étude des relations...) de mesure de l'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 domaine.) des neutrinos auprès du réacteur de l'Institut Laue-Langevin (L'Institut Laue-Langevin (ILL), nommé ainsi en l'honneur des physiciens Max von Laue (physicien allemand 1879-1960) et Paul Langevin (physicien français 1872-1946) est un...) à Grenoble. Cependant des mesures in situ doivent être conduites pour vérifier que 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.), de neutrons notamment, ne risque pas d'aveugler l'expérience. "L'idéal (En mathématiques, un idéal est une structure algébrique définie dans un anneau. Les idéaux généralisent de façon féconde l'étude de...) serait de placer le détecteur sous le réacteur d'une centrale. Il y a là des espaces protégés des neutrons et des rayons cosmiques qui s'y prêteraient parfaitement" précise Alexandre Juillard.


Modélisation du détecteur CryoCube qui sera au coeur de l'expérience Ricochet / Image IPNL

En attendant que le site soit définitivement choisi, les équipes vont commencer la mise au point (Graphie) du détecteur. L'objectif est de disposer d'un prototype fonctionnel d'ici 2 ans, d'en produire une trentaine l'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.) suivante. La collecte 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.), prévue pour une durée d'un an devrait commencer d'ici 4 ans après l'installation de l'expérience et sa mise en service. Le modèle standard a donc encore quelques années de répit avant que le couperet ne tombe.
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