Enfant, vous avez peut-être essayé de creuser un trou dans votre jardin pour atteindre la Chine. Évidemment, cela ne s’est pas produit. Mais creuser beaucoup de terrain peut être très productif. Au lieu d’atteindre un autre pays, les scientifiques, les ingénieurs et les ouvriers du bâtiment du Projet LBNF-DUNE creusé de la roche pour permettre une science révolutionnaire.
Plus précisément, ils ont extrait 800 000 tonnes de roches du centre de recherche souterrain de Sanford à Lead, dans le Dakota du Sud. Cette fouille constitue une étape majeure dans un processus pluriannuel visant à construire le projet le plus vaste, le plus avancé et le plus complet jamais réalisé pour étudier les neutrinos.
Les cavernes qu’ils ont creusées abriteront un énorme détecteur de particules et l’équipement qui l’accompagne. Aux côtés de partenaires de plus de 35 pays, l’Office of Science du ministère de l’Énergie soutient l’expérience sur les neutrinos souterrains profonds de l’installation de neutrinos à longue base (LBNF-DUNE) pour aider à répondre à certaines des plus grandes questions de physique.
Particules mystérieuses
Les neutrinos sont des particules subatomiques si petites que leur nom signifie « petit neutre » en italien. Il y a près de 100 ans, les physiciens ont émis l’hypothèse que les neutrinos existaient lorsque certaines interactions entre particules semblaient manquer d’énergie. En 1956, les scientifiques détectent pour la première fois des neutrinos. Depuis, les neutrinos ne cessent de surprendre les scientifiques.
L’une des plus grandes surprises a été le fait que les neutrinos ont une masse. Pour la plupart des objets, avoir une masse est une évidence. Mais, selon le modèle standard de physique des particules – notre meilleur modèle actuel pour décrire l’univers – les neutrinos ne devraient pas avoir de masse. Les physiciens tentent toujours de comprendre quelle est leur masse et comment ils ont une masse.
L’autre grande surprise est qu’il existe trois types différents de neutrinos et que les particules changent de type au fur et à mesure de leur déplacement. En fait, cette transformation est l’une des principales raisons pour lesquelles les physiciens s’y intéressent autant. Les scientifiques pensent que cette caractéristique pourrait être la clé pour répondre à une énorme question de physique : pourquoi y a-t-il quelque chose plutôt que rien ?
Physique inexpliquée
Comme le montre le comportement des neutrinos, le modèle standard de physique des particules n’explique pas tout à fait certains aspects importants de notre univers. L’un d’eux est le fait qu’il y a plus de matière que d’antimatière. D’après notre compréhension actuelle, juste après le Big Bang, il aurait dû y avoir des quantités égales de matière et d’antimatière. (Les particules d’antimatière sont identiques à leurs partenaires de matière ordinaires, sauf qu’elles ont une charge opposée.)
Mais lorsque la matière et l’antimatière se rencontrent, elles s’annihilent. Ainsi, quelque part dans les instants incroyablement courts des débuts de l’univers, il a dû y avoir un tout petit peu de matière plus ordinaire. Cette quantité infime qui restait après l’interaction matière-antimatière a conduit à tout le reste dans l’univers.
Les scientifiques ont de nombreuses théories pour expliquer ce déséquilibre. Une possibilité est qu’il s’agisse des neutrinos et de leurs partenaires antimatière.
Pour étudier comment les neutrinos changent de type au cours de leur voyage, LBNF-DUNE enverra un flux de neutrinos du laboratoire national des accélérateurs Fermilab du DOE dans l’Illinois au Dakota du Sud. Au début et à la fin du voyage des particules, des détecteurs mesureront les types de neutrinos et d’antineutrinos. En comparant les taux de changement de type des deux particules, les scientifiques pourraient trouver une différence qui explique cet ancien désalignement.
LBNF-DUNE fournira également un aperçu d’autres questions majeures de la physique. Alors que certaines étoiles arrivent à la fin de leur vie, elles explosent. Lorsque cela se produit, les neutrinos sont les premières particules qu’ils libèrent. Plus loin dans le processus, ces étoiles explosives (appelées supernovae) forment des éléments dont ceux essentiels à la vie comme le carbone, l’oxygène et le fer. En détectant les neutrinos issus de ces événements, LBNF-DUNE pourrait permettre aux scientifiques d’attraper des supernovae en flagrant délit.
Les détecteurs de DUNE sont également conçus pour détecter d’autres particules. À notre connaissance, les protons sont les seules particules composites – des particules composées d’autres types de particules – qui ne se décomposent pas dans la nature. On ne sait pas si les protons ne se décomposent pas du tout ou si c’est si rare que les scientifiques ne l’ont jamais repéré.
Si les protons se décomposent, ce processus pourrait permettre de déterminer s’il a jamais existé une seule force fondamentale ou si les quatre que nous connaissons aujourd’hui ont existé depuis le Big Bang. Cela pourrait également indiquer si l’univers durera éternellement ou aura une fin. Si ce processus existe, LBNF/DUNE est conçu pour potentiellement le détecter.
Capturer un fantôme
Certaines des choses qui rendent les neutrinos intrigants les rendent également difficiles à étudier. L’un des aspects les plus frappants des neutrinos est qu’ils n’ont pratiquement aucune interaction avec d’autres particules. En conséquence, ils peuvent parcourir d’énormes distances dans l’espace sans être affectés par les objets cosmiques. Cela signifie également qu’ils sont très difficiles à détecter.
Pour résoudre ce problème, LBNF-DUNE utilisera des détecteurs massifs de sept étages. Chaque détecteur disposera de 17 000 tonnes d’argon liquide. Cette grande quantité de liquide maximise la probabilité que les scientifiques détectent autant de neutrinos que possible. Le détecteur lointain, celui du Dakota du Sud, sera situé à environ un mile sous terre. Cette distance le place au bon endroit par rapport au Fermilab et bloque le détecteur des autres particules cosmiques.
La simple réalisation des fouilles a duré trois ans. L’équipe a dû démonter l’équipement, le déplacer profondément sous terre, puis le remonter. En creusant les cavernes, l’équipe a remonté 800 000 tonnes de roches à la surface et les a déposées dans une zone qui était autrefois une mine.
Maintenant que les fouilles sont terminées, l’équipe LBNF-DUNE passe aux prochaines étapes. Actuellement, ils installent le détecteur lointain dans le centre de recherche souterrain de Sanford. Ils prévoient de terminer la construction et de commencer à exploiter le détecteur en 2028. L’équipe passera ensuite à l’installation du détecteur de proximité au Laboratoire Fermi.
Le lancement de LBNF/DUNE marquera le début d’une nouvelle ère dans la compréhension des neutrinos et dans la connaissance de notre univers dans son ensemble.