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Neutrinos, vers une nouvelle génération de détecteurs

Quelle est la masse des neutrinos ? Comment oscillent-t-il ? En existe-t-il un quatrième type ? Juno, Hyper-Kamokiande, LBNE… de nouvelles expériences, aujourd’hui à l’étude, visent à mieux comprendre les propriétés de ces particules. À la clé, la mise à l'épreuve du modèle standard de physique et des applications dans la prévention de la prolifération nucléaire.

À l’intérieur du détecteur Super-Kamokiande © Observatoire Kamioka/ICCR

C’est un paradoxe dont les physiciens sont familiers : plus les particules sont insaisissables, plus elles nécessitent des projets d'envergure. Et c’est en grande partie vrai des neutrinos, particules les plus abondantes dans l’Univers mais dépourvues de charge et dotées d’une masse indéterminée, donc très difficiles à détecter et mal connues. Chaque centimètre carré de surface – de notre épiderme, par exemple – reçoit, par seconde, 64 milliards de neutrinos en provenance du Soleil.

Dans le monde, moins d’une dizaine d’installations, souvent souterraines et mobilisant des équipes de chercheurs internationales, travaillent à la détection et l’analyse des neutrinos : Ice Cub au pôle Sud ; Borexino en Italie ; Snolab au Canada ; NOvA aux Etats-Unis ; Super-Kamokiande au Japon ; Double Chooz en France…

Mais une nouvelle génération de détecteurs s’apprête à voir le jour. Il s’agit d’Hyper-Kamokiande, au Japon, avec 67 instituts de recherche de 12 pays ; de Juno, en Chine, qui réunit plus de 50 institutions partenaires en provenance de Chine, des États-Unis et d’Europe ; ou encore de LBNE, fruit d’un partenariat entre les Etats-Unis et l’Europe. Leurs programmes ? « Nous cherchons à mesurer des paramètres qui restent largement méconnus, comme les masses des neutrinos et les éventuelles différences entre neutrinos et antineutrinos », explique Olivier Drapier, chercheur au laboratoire Leprince-Ringuet (LLR, unité mixte de recherche du CNRS à l’École Polytechnique), qui participe aux deux expériences situées en Asie.

Une détection délicate

Les neutrinos sont émis lors des réactions radioactives, lors de la transformation d’un neutron ou proton ou inversement.© Olivier Drapier/LLR

Les neutrinos sont émis par les réactions de fusion au cœur du Soleil, l’interaction entre les rayons cosmiques et notre atmosphère, les éléments radioactifs de la Terre, des réactions nucléaires déclenchées par l’Homme ou des explosions d’étoiles. Ce sont les seules particules capables de traverser la Terre sans être interrompues dans leur course : une seule d’entre elles est arrêtée sur un milliard. Leur observation est donc indirecte : les neutrinos sont détectables grâce à la lumière qu’ils émettent en rencontrant le scintillateur liquide, comme prévu à Juno, ou l’eau pure, comme à Super-Kamokiande. 

Deux grands défis

Un sujet retient l’attention des chercheurs : « la proportion des mélanges ». De quoi s’agit-il ? Les neutrinos connus à ce jour sont répartis en trois catégories correspondant aux trois particules élémentaires auxquelles ils sont associés – électron, muon et tau – chacune pourvue d’une masse différente. En 1998, à Super-Kamokiande, au Japon, les scientifiques ont observé que les neutrinos pouvaient « osciller » d’un type à l’autre, c’est-à-dire passer d’un type à un autre. Ainsi, dans le Soleil ne sont produits que des neutrinos du type électronique, mais on détecte sur Terre des neutrinos muoniques et tauiques. « L’oscillation est une propriété des neutrinos, extraordinaire et parfaitement avérée », commente Thierry Lasserre, responsable scientifique pour les expériences Double Chooz et Nucifer à la Direction des sciences de la matière du CEA, « nous devons donc mesurer la probabilité qu’un neutrino devienne un autre neutrino en fonction de l’énergie et de la distance à la source, ainsi que du mélange entre les trois types de neutrinos ». Dans les Ardennes, Double Chooz travaille à une meilleure compréhension du phénomène de l'oscillation.

La détection des neutrinos s’effectue sous la forme d’états superposés, en quelque sorte de trois états de masse définie, alors que leur propagation s’effectue sous leurs formes pures. Olivier Drapier propose une analogie animale : les états purs sont les éléphants et les colibris, les états superposés les « éléphis » et les « colibrants » (l’image se compliquerait avec la prise en compte d’un troisième animal). Quelle part d’éléphant et de colibri trouve-t-on dans chacun des états superposés, telle est la question que se posent les physiciens. © Olivier Drapier/LLR

L’autre grand défi est celui de la masse. « Dans le modèle standard de la physique des particules, les neutrinos ont une masse nulle, indique Thierry Lasserre. Or on a découvert par l’expérience – notamment l’observation de l’oscillation en 1998 – que leur masse n’était pas égale à zéro. On ne dispose donc aujourd’hui pas de théorie sur la masse des particules, ce qui nous contraint à de nombreuses manipulations pour résoudre ce point ». Certes, les physiciens ont observé les différences de masse entre les neutrinos. « Mais on ne connaît pas les masses absolues, précise Thierry Lasserre, on ne sait donc pas quel neutrino est le plus lourd ni lequel est le plus léger : en d’autres termes, on ignore la hiérarchie des masses ». En revanche, on peut la mesurer par l’expérience.

Juno, l’atout chinois  

Le projet chinois Juno (Jiangmen Underground Neutrino Observatory) se fixe précisément cet objectif. Il prévoit en effet la construction d’ici 2020, à Kaiping, dans la province méridionale du Guangdong, d'un détecteur en forme de sphère (de 40 mètres de diamètre) abritant 20 000 tonnes de scintillateur liquide. Enfoui à 700 mètres de profondeur, ce détecteur se trouvera à égale distance – 53 km – des deux centrales nucléaires de Taishan et Yangjiang. Des proportions à comparer à celles de Double Chooz, dans les Ardennes, en France : un détecteur de 10 tonnes installé à 1 km de la centrale ! 

Tunnel conduisant au site de construction, à 700 mètres de profondeur, du détecteur Juno, près de la ville de Jiangmen, en Chine. © Institut italien de physique nucléaire (INFN)

Le choix d’édifier ce gigantesque projet en Chine n’est d’ailleurs pas le fruit du hasard. « Avec sa main-d’œuvre abondante et relativement peu coûteuse, ce pays dispose d’une force de frappe financière et humaine très importante, estime Thierry Lasserre, du CEA, on peut donc y construire ce qui ne peut plus être édifié dans d’autres régions du monde pour cause de dimensions et de coûts trop importants ». Et de tirer son chapeau aux progrès accomplis par ce pays : « Il y a dix ans, les Chinois étaient complètement novices dans le domaine. Aujourd’hui, ils sont capables de proposer une nouvelle expérience ! » 

Grâce à sa taille, « Juno sera assez sensible pour déterminer la hiérarchie des masses, ce que ne sont pas capables de faire les expériences actuelles », signale Olivier Drapier. Et de préciser : « La participation du LLR à Juno, en collaboration avec l’Institut pluridisciplinaire Hubert Curien (IPHC) de Strasbourg, résidera dans la mise en place de détecteurs de muons au-dessus de la sphère, qui permettront de mieux comprendre les événements parasites dus à des muons créés par l’interaction entre les rayons cosmiques et l’atmosphère ». 

Juno se composera d’une sphère de 40 mètres de diamètre emplie de 20 000 tonnes de scintillateur liquide. Le détecteur est entouré d’une piscine pleine d’eau qui le protège contre les radiations de l’environnement.© Michael Wurm

Ce sera toutefois un travail de longue haleine. « À partir de la collecte de données en 2021, les scientifiques estiment que cinq années de mesures seront nécessaires pour répondre à la question de la hiérarchie des masses des neutrinos », estime Johannes Gutenberg, de l’université de Mayence (Allemagne), autre participant au projet Juno. En revanche, aucune application pratique n’est prévue dans l’immédiat. « Ça facilite d’ailleurs beaucoup la collaboration internationale, remarque Olivier Drapier, tout le monde a accès à l’ensemble des données ».

Olivier Drapier, chercheur au laboratoire Leprince-Ringuet (unité mixte de recherche du CNRS à l’École Polytechnique)

Matière, antimatière

Au moment du Big Bang, matière et antimatière se trouvaient représentées dans les mêmes proportions, alors que dans l’Univers, actuellement, on n’observe presque que de la matière. Étudier les caractéristiques des neutrinos et des antineutrinos permettrait de comprendre pourquoi. 

À droite, l’accélérateur de protons existant déjà au Fermilab, à Chicago. À gauche, le futur détecteur de neutrinos. La distance entre les deux points, à travers la surface de la Terre, atteint 1300 km. © Sandbox/Fermilab

C’est la mission prioritaire du Long-Baseline Neutrino Experiment (LBNE), rebaptisé ELBNF en janvier 2015 (Experiment at the Long-Baseline Neutrino Factory), qui vise à étudier, dans le futur détecteur à argon liquide de Stanford Lab, dans le Dakota du Sud, un faisceau de neutrinos venu de l’accélérateur de particules du Fermilab, dans l’Illinois, à 1 300 kilomètres de distance. L’entrée en service aurait lieu en 2022.

Quant à Hyper-Kamokiande, au Japon, il sondera lui aussi l’asymétrie entre les faisceaux de neutrinos et d’antineutrinos. Il doit prendre le relais de Super-Kamokiande, « un détecteur très polyvalent puisqu’il détecte les neutrinos du cosmos, et en particulier du Soleil, ceux de l’atmosphère par désintégration des rayonnements cosmiques et ceux de l’accélérateur de particules JPARC (Japan Proton Accelerator Research Complex) », explique Olivier Drapier. Hyper-Kamokiande sera doté d’une meilleure sensibilité de détection de tous ces neutrinos et permettra ainsi de suivre des événements cosmiques tels que l’explosion d’étoiles massives ou supernovae. Si ce projet est effectivement approuvé, il entrera en fonction en 2025.

La réponse d'Olivier Drapier, du laboratoire Leprince-Ringuet 

Contre la prolifération nucléaire

La construction de nouveaux détecteurs de neutrinos permettrait donc de résoudre certaines énigmes de la physique des particules. Cela étant, certaines applications pratiques sont également très prometteuses. Des détecteurs de neutrinos pourraient en effet être destinés à des tâches de prévention de la prolifération nucléaire. Si les données fournies sur l’activité d’une centrale étaient jugées inexactes, en effet, un détecteur ad hoc permettrait de mesurer, à partir de l’observation des antineutrinos de type électron, les mouvements de plutonium et d’uranium à l’intérieur d’une centrale nucléaire.

Les antineutrinos interagissent dans le liquide cible pour produire un positron et un neutron qui sont détectés en coïncidence. Des blindages en polyéthylène et en plomb permettent de réduire les bruits de fond neutrons et gammas. Nucifer est l’expérience « neutrino » la plus proche d’un cœur compact de réacteur nucléaire jamais réalisée.© CEA

C’est à la demande de l’Agence internationale de l’énergie atomique (AIEA) que le CEA – en partenariat avec le CNRS et l'institut Max Planck de physique nucléaire – a élaboré un prototype destiné à contrôler l’activité dans le cœur des réacteurs du futur, en service depuis l’été 2013. Organisme de référence pour la non-prolifération en France, le CEA s’est appuyé sur l’expérience Double Chooz.

Placé à cinq mètres seulement du cœur du réacteur de recherche Osiris au centre CEA de Saclay, le démonstrateur Nucifer est en quelque sorte « un neutrinomètre », selon l’expression de Thierry Lasserre. Il suit en temps réel la composition du combustible et est capable de détecter d’éventuels détournements du plutonium (à des fins non civiles). « Comme Nucifer se trouve très près du cœur, l’analyse des données est compliquée par le bruit de fond, indique-t-il. Mais elle est aujourd’hui presque achevée et fera l’objet d’une publication dans quelques mois. On détecte quelque 300 neutrinos par jour, c’est beaucoup ! » 

Quatrième neutrino, la révolution annoncée ?

Outre cette mission pratique évidente, Nucifer pourrait bouleverser la physique standard actuelle. Grâce à sa configuration, il pourrait en effet permettre d’observer un quatrième type de neutrino. « Aujourd’hui, on ne comprend pas certains résultats de nos observations sans l’existence d’un quatrième neutrino, souligne Thierry Lasserre. Ce serait une petite révolution, de l’identifier ! ça secouerait complètement l’astrophysique et la physique des particules. Pour cela, il faut observer très près de la source – c’est le cas de Nucifer. Comme quoi, avec les neutrinos, des programmes de plus petite envergure peuvent aussi avoir de très importantes répercussions ».

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