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A la poursuite des neutrinos cosmiques

17/04/2020

Six lignes de capteurs tapies dans l’ombre des profondeurs de la méditerranée attendent le passage de neutrinos. Déployées en janvier dans le cadre du réseau KM3NeT, elles sont les premières d’un ensemble qui atteindra 345 lignes réparties entre la France et l’Italie à travers une collaboration internationale.

Thierry Pradier (à g.) et sont équipe
réalisent une partie des 6 000 sphères
nécessaires au projet. Crédit Nicolas Busser

Littéralement, petit neutre en Italien, les neutrinos sont des particules subatomiques présentes autour de nous naturellement qui interagissent peu avec la matière. Emises par le corps humain, la terre ou le soleil, elles peuvent également provenir de l’extérieur de notre galaxie et notamment de l’environnement de trous noirs ou de la fusion de deux étoiles à neutrons. « Les neutrinos qui nous intéressent sont 1 million de fois plus énergétiques que ceux du soleil », explique Thierry Pradier en charge du projet au Département recherches subatomiques de l’Institut pluridisciplinaire Hubert Curien (IPHC).

Pour les repérer, les chercheurs utilisent des détecteurs captant la lumière émise lors de la propagation des particules produites après interaction des neutrinos. Une technique mise en oeuvre dans le milieu aquatique car la lumière y est diffusée dans plusieurs directions contrairement à l’air. L’eau permet également d’enlever une partie du bruit parasite constitué par le rayonnement cosmique. « Plus on va en profondeur, moins il y en a. » Seul bémol, « en raison du faible flux de neutrinos arrivant sur terre, il aurait fallu un réservoir géant pour les détecter. » C’est pour cette raison que les scientifiques se sont tournés vers des milieux transparents naturels et plus précisément, dans le cas du télescope KM3NeT, la mer Méditerranée.

La construction de 6 000 sphères

L’idée ? Déployer un réseau de lignes composées de 18 étages de détecteurs de lumière disposés à 9 mètres d’intervalle sur le site de Toulon (Télescope Orca) et 40 mètres sur le site de Sicile (télescope Arca). « Il va prendre le relai à plus grande échelle du projet Antares, un télescope européen observant le ciel neutrino depuis 2008 en méditerranée », détaille le chercheur. Six lignes ont déjà été installées sur le site français à 2 500 mètres sous l’eau. « A terme, il y en aura 115 et 230 sur le site italien. »

A chaque étage, une sphère en verre de 31 capteurs permet d’enregistrer la quantité de lumière émise après interaction des neutrinos mais aussi l’instant de détection et leur direction d’arrivée. « Plus de 6 000 sphères seront nécessaires pour l’ensemble du projet », souligne Thierry Pradier qui précise que l’IPHC est chargé d’en réaliser une partie. Les informations ainsi détectées sont ensuite envoyées sur la côte pour être traitées par ordinateurs.  « Avec Antares, nous avions une dizaine d’évènements intéressants par jour. Là, il y en aura des centaines. »

Détecter des objets astronomiques

Module optique.
Crédit : collaboration KM3NeT

Les relevés permettront d’en apprendre plus sur les propriétés du neutrino et en particulier sa masse qui est très faible mais pas nulle. Un point énigmatique pour les chercheurs. Autre intérêt : Les neutrinos voyagent à la vitesse de la lumière et ont une trajectoire linéaire dont les chercheurs peuvent déterminer l’origine à moins d’un 1 degré près soit la taille de la lune dans le ciel. Observer leur direction d’arrivée peut permettre de braquer le télescope au bon endroit et ainsi détecter la lumière émise par des objets astronomiques transitoires comme des fusions de trous noirs, d'étoiles à neutrons ou des super novas. 

« Et ce en plus de l’utilisation des ondes gravitationnelles dont la source est plus difficile à localiser », détaille Thierry Pradier qui étudie plus particulièrement les possibles corrélations entre les sources de neutrinos et les ondes gravitationnelles. « L’idée pour moi est de combiner toutes ces informations pour faire ce que l’on appelle de l’astronomie multi-messagers. » 

Marion Riegert