La construction d'une nouvelle infrastructure souterraine de physique fondamentale à l'échelle internationale a débuté aujourd'hui. Cette installation utilisera le savoir-faire du CERN pour étudier les propriétés des neutrinos, particules fondamentales insaisissables dont le comportement reste encore mystérieux. La caverne souterraine en question, située à 1 500 m sous terre, fait partie de l'installation neutrino longue distance (Long Baseline Neutrino Facility - LBNF(link is external)), centre de recherche international situé aux États-Unis, qui hébergera à terme quatre gigantesques détecteurs de neutrinos. Au CERN, des scientifiques construisent actuellement des prototypes de ces détecteurs et testent de nouvelles technologies qui permettront d'améliorer notre représentation de ces mystérieux nomades du cosmos.
« Certaines énigmes actuelles de la physique fondamentale concernent des particules particulièrement fascinantes et insaisissables appelées neutrinos, a déclaré la Directrice générale du CERN, Fabiola Gianotti. L'installation neutrino longue distance (LBNF) aux États-Unis, dont le début de la construction est lancé officiellement aujourd'hui par cette cérémonie, rassemblera les membres de la communauté internationale de la physique des particules qui étudieront certaines des propriétés les plus intéressantes des neutrinos. »
Les neutrinos font partie des particules fondamentales les plus abondantes de l'Univers, mais on sait peu de choses sur elles car elles interagissent rarement avec la matière ordinaire. De précédentes recherches ont montré que les neutrinos se comportent différemment des autres particules, ce qui laisse espérer aux scientifiques qu'ils pourraient être la clef de nombreuses questions sur l'origine et l'évolution du cosmos.
« Étudier les neutrinos pourrait apporter des réponses à certaines grandes énigmes de la physique, comme la question de savoir pourquoi l'Univers est fait uniquement de matière, et non d'antimatière, a expliqué Filippo Resnati, chercheur au CERN auprès de la plateforme neutrino. Si nous voulons mesurer et comprendre les propriétés des neutrinos, il nous faut un faisceau de neutrinos puissant et de gigantesques détecteurs. »
Les neutrinos peuvent traverser des milliers de kilomètres de roches et de poussières avant de heurter un atome terrestre. Si cette particularité rend leur détection extrêmement difficile, elle est aussi à la base de l'expérience DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), qui sera la première locataire de la caverne de l'installation LBNF. Lorsque les neutrinos voyagent, leurs propriétés changent - un phénomène encore mal connu. L'expérience DUNE auprès de l'installation LBNF capturera et mesurera les neutrinos créés par un puissant faisceau de protons envoyé depuis le Fermilab, près de Chicago dans l'Illinois, avant et après leur sprint de 1 300 kilomètres sous terre jusqu'au Laboratoire de Stanford, à Lead, dans le Dakota du Sud. La plateforme neutrino du CERN accueille une communauté internationale de chercheurs qui conçoivent et construisent des prototypes pour les détecteurs longue distance de DUNE.
« Construire et tester de grands prototypes est une étape intermédiaire nécessaire pour un projet aussi gigantesque que LBNF/DUNE, a indiqué Marzio Nessi, responsable de la plateforme neutrino du CERN. Nous réfléchissons à la manière d'adapter la technologie actuelle à un détecteur de la taille d'une maison. Une fois que nous aurons la preuve que cela fonctionne, nous pourrons l'agrandir jusqu'à un facteur 25 pour les détecteurs définitifs de DUNE. »
Les prototypes du CERN affinent une technologie de détection conçue à l'origine par Carlo Rubbia, prix Nobel de physique et ancien Directeur général du CERN. Des panneaux quadrillés bardés de fils délicats et de capteurs de photons enregistrent les signaux électriques et de lumière générés par les neutrinos lorsqu'ils percutent des atomes d'argon. Les informations ainsi obtenues permettent aux physiciens d'effectuer une triangulation de la position des neutrinos et de mesurer leurs propriétés. Dans l'un des prototypes, ces panneaux seront plongés dans de l'argon liquide. L'autre prototype servira à tester une nouvelle technologie qui utilise des multiplicateurs d'électrons suspendus dans de la vapeur d'argon.
En plus de construire et de tester les prototypes de détecteurs pour le projet LBNF/DUNE, le CERN servira de pôle européen pour les physiciens des neutrinos travaillant sur des recherches basées aux États-Unis ou ailleurs dans le monde. Le CERN a une riche histoire de recherche sur les neutrinos et a contribué à des découvertes, comme l'observation directe de la transformation d'un type de neutrinos à un autre faite par l'expérience OPERA au laboratoire du Gran Sasso en Italie. Avec son installation à faisceaux d'essai, le CERN fournit également aux scientifiques de DUNE l'infrastructure dont ils ont besoin pour construire et tester leurs détecteurs. En participant activement à la conception finale des détecteurs de DUNE et en construisant l'infrastructure de cryogénie, le CERN s'associe pour la première fois à des projets situés aux États-Unis.
« Les chosent changent, a noté Filippo Resnati. Le CERN a pour mission de répondre aux grandes énigmes de la physique, et nous voulons participer à cette quête mondiale de savoir. Nous travaillons ensemble en tant que communauté mondiale de la physique pour y parvenir. »
Photo: ProtoDUNE, le prototype de 11 mètres de haut au CERN, permettra d'affiner la technologie de détection des neutrinos. Les détecteurs DUNE seront 20 fois plus grands et situés dans une nouvelle caverne aux Etats-Unis. (Image : M. Brice, J. Ordan/CERN)