Un "IceCube" géant pour détecter les neutrinos

Les scientifiques américains et européens ont décidé de construire le plus grand détecteur de neutrinos du monde et de l'enterrer dans la glace du Pôle Sud.
D'un coût estimé à 271 millions de dollars, le projet baptisé "IceCube" est supporté financièrement par la National Science Foundation ainsi que par l'Allemagne et la Suède à concurrence de 30 millions de dollars. Le détecteur devrait être opérationnel en 2011.
Détection des neutrinos
Les neutrinos sont des particules élémentaires portant une charge neutre. De ce fait, ils interagissent très peu avec la matière et les autres rayonnements. En fait, ils peuvent traverser la Terre de part en part des milliers de fois sans être perturbés. Il existe malgré tout un moyen de les détecter, du moins certains d'entre eux.
Pour détecter les neutrinos, du moins indirectement, les physiciens ont imaginé de construire dans plusieurs mines souterraines désaffectées d'immenses cuves remplies d'eau pur dont les parois sont bardées de détecteurs, des amplificateurs d'images.

Si un neutrino traverse cette piscine plus rapidement que la lumière dans ce milieu et produit une réaction avec un quark - les éléments constitutifs des particules atomiques -, le neutrino décroît en un électron ou en un muon électronique qui se propage à une vitesse supérieure à celle de la lumière dans l’eau en émettant un cône de lumière bleue baptisé l'effet Cerenkov. Cet anneau est émis dans une direction bien précise, déterminée par la vitesse de la particule. Ce rayonnement est ensuite détecté, amplifié et mesuré dans les 3 dimensions.
Il existe trois installations dans le monde : l'IMB aux Etats-Unis, Kamiokande II (Super-Kamiokande) au Japon et un troisième site en Russie.

Un cube de glace géant

Des milliards de neutrinos - et le terme est faible - sont émis chaque seconde par le Soleil au cours des réactions de fusions thermonucléaires, auxquels s'ajoutent les milliards d'autres provenant des étoiles. C'est une pluie permanente de neutrinos qui s'abat sur Terre à la vitesse de la lumière. On estime que 100 milliards de neutrinos traversent chaque centimètre carré de notre corps chaque seconde sans endommager nos tissus !

Cependant, une poignée d'entre eux heurtent les atomes et peuvent être détectés grâce à l'effet Cerenkov. Statistiquement, plus le détecteur est vaste, plus les physiciens ont de chance de détecter l'une ou l'autre réaction neutrino.

La nouvelle installation mesurera 1 km de côté et contiendra un volume de 1 km3 de glace (1000 kt) contenant des milliers de détecteurs. Elle est 20 fois plus importante que le détecteur Super-Kamiokande qui mesure environ 37 m de côté et contient 50 kt d'eau pure (pour rappel : 1 litre d'eau pure à 4°C pèse 1 kg, 1m3 d'eau pèse 1 tonne).

Les détecteurs individuels seront déployés sur des "cordes" (DOM) sur lesquelles seront fixées 6 modules, chaque DOM étant enfoui dans un trou percé dans la glace grâce à un système de forage utilisant de l'eau chaude qui gèlera ensuite. L'ensemble du détecteur de l'IceCube sera enterré entre 1450 et 2450 m de profondeur.

Etant donné la stabilité du continent Antarctique, on estime que l'IceCube devrait résister aux mouvements de migration de la glace durant 25000 ans. Mis à part quelques corrections de position faites à distance, vu que le détecteur sera prisonnier de la glace, il sera impossible d'assurer sa maintenance.

Etudier le ciel boréal à travers un glaçon

L'IceCube est en fait un télescope un peu particulier, dans ce sens qu'il va regarder le ciel de l'hémisphère nord à travers la Terre, en utilisant la masse des atomes de la planète comme filtre pour isoler les neutrinos.

En effet, jusqu'à présent, les détecteurs utilisés pour étudier les neutrinos solaires (et accessoirement ceux émis par les supernovae) étaient dirigés vers le ciel alors que le nouveau détecteur est dirigé vers le centre de la Terre. Cette disposition particulière aidera les physiciens à filtrer les autres rayonnements venant de l'espace qui seront bloqués par la masse des protons constituant la matière et pouvant créer autant de signaux parasites.

Etudier le noyau de la Terre
Grâce à ce détecteur, les physiciens espèrent également étudier le noyau de la Terre dans l'espoir qu'il leur fournira des données cruciales sur les neutrinos émis par les astres et les événements les plus violents qui se déroulent dans l'univers : les supernovae, les éruptions de rayons gamma (GRB) et les phénomènes cataclysmiques impliquant des étoiles neutrons et les trous noirs supermassifs situés au centre des galaxies. Le projet est très ambitieux.
Bien que les neutrinos puissent traverser des objets denses, le noyau de la Terre présente un certain obstacle. Une grande fraction des neutrinos devrait être arrêtée par sa masse de fer tandis que d'autres ayant une énergie supérieure à 10 trillions d'eV devraient être détectés par l'IceCube, permettant aux chercheurs d'élaborer une image de la structure interne de notre planète.

Les détecteurs précédents ont jusqu'ici eu peu d'occasions de détecter des particules provenant du plus profond de l'espace et notamment des trous noirs.

Vu ses dimensions, l'IceCube est conçu pour détecter ces particules de faible énergie grâce à l'effet Cerenkov qu'elles émettront dans le cube de glace au cours de leurs interactions avec des protons et des rayons cosmiques par exemple.

La méthode conventionnelle utilisée par des géophysiciens et les astrophysiciens pour déterminer les paramètres du noyau de la Terre consiste à étudier l'oscillation de la planète sur son orbite autour du Soleil. En utilisant les neutrinos, les chercheurs espèrent pouvoir créer une image semblable à cela créée par les rayons X en étudiant un corps dense.

La technique devra cependant être affinée et les experts estiment qu'il leur faudra plusieurs décennies pour atteindre leur objectif compte tenu des faibles interactions des neutrinos avec la matière.
Pour plus d'information, consultez le site IceCube de l'Université de Wisconsin. Consultez également mon livre sur la physique quantique à propos des interactions neutrinos.