Comment un réservoir d’eau souterrain pourrait percer les secrets de l’Univers
Les neutrinos(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) sont des particules élémentaires qui jouent un rôle fondamental dans la plupart des phénomènes de l’Univers. Ils sont produits en abondance lors des réactions les plus importantes de l’Univers, notamment au cours de l’explosion en supernova des étoiles en fin de vie. Puisque la probabilité qu’ils interagissent avec la matière est extrêmement faible, leurs propriétés dynamiques restent inchangées au fil du temps. Ils constituent, par conséquent, une précieuse source d’informations sur les principales réactions à l’œuvre dans l’Univers. «Les neutrinos émis par toutes les supernovae survenues depuis les origines de l’Univers, appelés fond diffus de neutrinos de supernovae(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) (DSNB), renferment des informations inestimables sur des phénomènes tels que l’évolution de l’espace-temps, la formation des étoiles ou encore les trous noirs », explique Luis Labarga Echeverría, coordinateur du projet SK2HK financé par le programme Actions Marie Skłodowska-Curie(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre).
Contribuer à des expériences pionnières sur les interactions des neutrinos
Les neutrinos interagissant extrêmement rarement avec la matière, les détecteurs doivent contenir d’immenses quantités de matériau afin d’augmenter les chances d’observer ces interactions. En raison des coûts que cela implique, des solutions ingénieuses ont été développées, la technique dite du détecteur à effet Tcherenkov dans l’eau s’étant révélée la plus efficace. Cette technique est utilisée à l’observatoire de Kamioka(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), au Japon, où se trouve le plus grand détecteur souterrain de neutrinos au monde, le Super-Kamiokande(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) (SK), un immense réservoir de 50 000 m3 rempli d’eau ultrapure. Lorsqu’un neutrino interagit avec l’eau, plusieurs particules sont produites, dont un grand nombre sont électriquement chargées. Quelque 10 000 capteurs de lumière ultrasensibles (tubes photomultiplicateurs, ou PMT) installés sur les parois du réservoir détectent la lumière émise par ces particules chargées lorsqu’elles traversent l’eau. «En reconstituant les caractéristiques de ces particules telles que leur point d’origine, leur énergie, leur direction ou encore leurs éventuels processus de désintégration, nous pouvons en déduire les propriétés des neutrinos à l’origine de leur production», explique Luis Labarga Echeverría, de l’université autonome de Madrid(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). Cette méthode a conduit à deux avancées majeures: l’identification des neutrinos issus de la supernova SN1987, récompensée par le prix Nobel de physique en 2002, puis la découverte que les neutrinos possèdent une masse, qui a valu un nouveau prix Nobel de physique en 2015. Détachés auprès du détecteur SK, les chercheurs du projet SK2HK ont participé à plusieurs expériences complémentaires, contribuant ainsi à la première mise en évidence convaincante du DSNB par SK, présentée lors de la conférence NEUTRINO 2026, Université de Californie à Irvine, juin 2026(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). «Cette découverte ouvre véritablement une nouvelle ère pour la physique. Nous pouvons désormais étudier l’évolution de l’Univers grâce aux neutrinos émis par les supernovae depuis l’aube des temps», explique Luis Labarga Echeverría.
Des détecteurs de neutrinos de nouvelle génération
Mieux comprendre les neutrinos exige de disposer de détecteurs de plus grande taille, comme Hyper-Kamiokande (HK), actuellement en construction à l’observatoire de Kamioka, auquel l’équipe SK2HK a contribué. «Sa mise en service est prévue pour 2028. Avec un volume de 260 000 tonnes et 20 000 capteurs de lumière, il offrira des performances nettement supérieures», souligne Luis Labarga Echeverría. L’équipe a également participé au développement de nouvelles techniques de détection, notamment un système multi-PMT associant 19 petits tubes photomultiplicateurs dans un boîtier de 60 cm de diamètre, en remplacement d’un unique PMT de même taille. SK2HK a également dirigé la conception et la fabrication du caisson sous-marin abritant les capteurs PMT qui devra résister à la pression en profondeur et empêcher toute réaction en chaîne en cas d’implosion d’un photosenseur. «La communauté scientifique réfléchit déjà à des détecteurs encore plus grands, installés plus profondément sous terre et équipés d’un nombre bien plus important de photosenseurs. Ils nous fourniront des données encore plus précises sur les paramètres susceptibles d’expliquer l’évolution des neutrinos au fil du temps et permettront peut-être de résoudre l’une des plus grandes énigmes de la physique: la théorie de la grande unification est-elle correcte?», conclut Luis Labarga Echeverría.
