Virgo: des capteurs du CERN pour les ondes gravitationnelles
Publié par Adrien le 05/09/2019 à 08:00
Source: CERN
Un nouveau dispositif sismologique développé par le CERN et le JINR est actuellement testé auprès du détecteur avancé Virgo.

Tout a commencé avec un objectif relativement simple: créer un prototype d'un nouveau type de dispositif pour le suivi du mouvement des structures souterraines au CERN. Mais le 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 contribution, et...), fruit (En botanique, le fruit est l'organe végétal protégeant la graine. Caractéristique des Angiospermes, il succède à la fleur par transformation du pistil. La paroi de l'ovaire forme le péricarpe du fruit et...) d'une collaboration entre le CERN et l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le...) unifié 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...) nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) (JINR) de Doubna (Russie), a rapidement évolué. Le prototype a débouché sur la création de plusieurs dispositifs complets, pouvant potentiellement servir de systèmes d'alarme précoce en cas de tremblements de 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...) et être utilisés pour l'enregistrement d'autres vibrations sismiques. En outre, ces dispositifs, appelés inclinomètres laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain « light...) de précision (ILP), peuvent également être utilisés hors du CERN. Les scientifiques à l'origine de ce projet testent à présent un de ces dispositifs auprès 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...) avancé Virgo, qui a récemment détecté les ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) gravitationnelles - de minuscules ondulations du tissu spatio-temporel, qui avaient été prédites par Einstein il y a un siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération humaine...). Si tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) se passe comme prévu, ce dispositif pourrait aider les chasseurs d'ondes gravitationnelles à réduire le "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...)" causé par les événements sismiques 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...) des signaux issus de ces ondes.


Vue aérienne de l'antenne (En radioélectricité, une antenne est un dispositif permettant de rayonner (émetteur) ou de capter (récepteur) les ondes électromagnétiques.) de détection des ondes gravitationnelles VIRGO (à Cascina, en Italie).
© EGO-VIRGO/IN2P3/CNRS Photothèque

Contrairement aux sismomètres traditionnels, qui détectent les mouvements du sol à partir de leur effet sur des poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du...) suspendus à des cordons, l'inclinomètre (Un inclinomètre (ou clinomètre) est un instrument servant à mesurer des angles par rapport à la ligne d'horizon (ou horizontale). Là où le niveau à bulle (ou niveau) permet de détecter...) laser de précision mesure l'effet de ces mouvements sur 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...) d'un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.). Cette mesure est réalisée en dirigeant 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 (rouge). La lumière est...) d'un laser sur un liquide, et en observant la manière dont celle-ci est reflétée. À la différence des sismomètres utilisant des poids, l'inclinomètre laser de précision peut détecter un mouvement angulaire, en plus du mouvement vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en accords plaqués.) ou horizontal (Horizontal est une orientation parallèle à l'horizon, et perpendiculaire à la verticale. Une ligne horizontale va « de la gauche vers la...), et il peut en outre détecter les mouvements basse fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi...) avec une très grande précision.

"L'inclinomètre laser de précision est extrêmement sensible ; quand il y a du vent, il peut même détecter les vagues sur le lac (En limnologie, un lac est une grande étendue d'eau située dans un continent où il suffit que la profondeur, la superficie, ou le volume soit suffisant pour provoquer une stratification, une zonation, ou...) Léman ", explique Beniamino Di Girolamo, du CERN, responsable scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes...) du projet. "Il peut enregistrer des mouvements sismiques ayant une fréquence comprise entre 1 mHz et 12,4 mHz, avec une sensibilité de 2,4 × 10^−5 μrad/Hz^½", explique Julian Budagov, du JINR, co-responsable scientifique. "Cela équivaut à mesurer un déplacement vertical de 24 picomètres (24 millionièmes de millionième de mètre) sur une distance d'un mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international (SI). Il est défini, depuis 1983, comme la distance parcourue par la lumière dans...) ", ajoute Mikhail Lyablin, du JINR, également co-responsable scientifique.

L'équipe a assemblé et testé le prototype de l'inclinomètre au JINR et 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...) TT1 du CERN. Celui-ci a tellement bien fonctionné qu'il a révélé son potentiel pour devenir un système sismologique d'alerte précoce utile pour le Grand collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux dirigés de particules élémentaires.) de hadrons à haute luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit la lumière.) (HL-LHC) et pour d'autres machines et expériences. Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) et ses faisceaux de protons sont extrêmement résistants à l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) sismique, mais le HL-LHC utilisera des faisceaux plus fins afin d'augmenter le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de collisions proton-proton et donc le potentiel de découvertes en 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...). Cela signifie que les faisceaux seront plus susceptibles de dévier en cas de tremblement (Les tremblements sont des mouvements anormaux involontaires, rythmiques et oscillatoires, de faible amplitude. Ils peuvent être uni ou bilatéraux.) de terre de grande magnitude avec un épicentre relativement proche du CERN. Des inclinomètres laser de précision situés en plusieurs points autour de la machine pourraient servir de systèmes d'alerte précoce pour de tels événements.


L'inclinomètre laser de précision (deux graphiques du bas) a détecté les mêmes signaux que des dispositifs déjà installés auprès de Virgo (deux graphiques du haut) pour un tremblement de terre survenu le 17 août dans le Nord de l'Italie (Image: Beniamino Di Girolamo/CERN)

Étant donné le potentiel de ces dispositifs, le projet HL-LHC a fourni (Les Foúrnoi Korséon (Grec: Φούρνοι Κορσέων) appelés plus communément Fourni, sont un archipel de petites...) un soutien à l'équipe concernée pour la construction de plusieurs nouveaux inclinomètres laser de précision. L'un de ceux-ci est déjà installé à l'observatoire sismique de Garni (Arménie), et un autre a été déployé avec le soutien du groupe Transfert de connaissances du CERN et de l'institut italien INFN à l'observatoire gravitationnel européen EGO, en Italie, où se trouve le détecteur avancé Virgo. L'inclinomètre laser de précision de Virgo est le fruit d'une collaboration qui a commencé après la Conférence du Consortium européen pour la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...) des astroparticules (APPEC) en novembre 2018, et a été initiée par le Directeur général du JINR et encouragée par la Direction du CERN. La collaboration s'est tellement bien déroulée que, moins d'une 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.) plus tard, l'inclinomètre laser de précision destiné à Virgo était testé.

Les résultats des premiers tests sont encourageants. Avec les 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.) enregistrées pendant seulement 15 minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain...), le 6 août, l'inclinomètre laser de précision a détecté les mêmes signaux que des dispositifs déjà installés auprès de Virgo ; à partir de ce jour-là, il a commencé à fonctionner en continu et a détecté plusieurs tremblements de terre de faible magnitude. L'équipe de Virgo et celle travaillant sur l'inclinomètre mettent à présent en place le système de 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 données entre le capteur (Un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable exemple : une tension électrique, une...) et le système de données de Virgo. Cela facilitera la comparaison entre les données issues de différents dispositifs sismiques et l'évaluation de l'influence que pourrait avoir l'utilisation d'inclinomètres laser de précision sur le fonctionnement de Virgo et la détection des ondes gravitationnelles. "Virgo et les deux détecteurs LIGO, situés aux États-Unis, ont récemment entamé une nouvelle quête d'ondes gravitationnelles ; lors de celle-ci, ils chercheront plus profondément dans l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) que lors des campagnes précédentes, explique Fulvio Ricci, 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 États-Unis, au...) La Sapienza, à Rome, ancien porte-parole de Virgo. Nous sommes convaincus que l'inclinomètre laser de précision peut jouer un rôle dans cette importante recherche."
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