Installé au CERN, le plus grand détecteur de neutrinos à argon liquide au monde vient d'enregistrer ses premières traces de particules. C'est le début d'un nouveau chapitre dans l'histoire de l'expérience internationale DUNE.

L'expérience DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) a pour mission d'étudier les neutrinos, les particules de matière les plus abondantes et aussi les plus mystérieuses de l'Univers, a indiqué mardi l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN).

L'immense détecteur de ProtoDUNE, un cube de la taille d'une maison de trois étages, a été construit au CERN. Il s'agit du premier de deux prototypes conçus en vue du projet DUNE, un futur détecteur bien plus grand qui sera situé au Fermilab, le Laboratoire national de l'accélérateur Fermi du département de l'Énergie des États-Unis.

Les premiers modules du détecteur DUNE, qui enregistreront des données à partir de 2026, seront vingt fois plus grands que ces prototypes. C'est la première fois que le CERN participe au développement de détecteurs et d'infrastructures pour un projet de physique des particules situé aux États-Unis.

Tests plus poussés

Il a fallu deux ans pour construire le premier détecteur de ProtoDUNE, et huit semaines pour le remplir de 800 tonnes d'argon liquide, lequel doit être maintenu à une température inférieure à -184 degrés Celsius.

Le détecteur enregistre les traces laissées dans l'argon par les particules, qui proviennent à la fois de rayons cosmiques et d'un faisceau créé par le complexe d'accélérateurs du CERN. Maintenant que les premières traces ont été détectées - en l'occurrence des muons cosmiques - les scientifiques feront fonctionner le détecteur pendant les mois à venir pour des tests plus poussés.

La technologie sur laquelle s'appuie le premier détecteur de ProtoDUNE est la même que celle qui sera utilisée pour les premiers modules du détecteur DUNE, aux États-Unis, qui sera construit à une profondeur de 1,6 km sous la Sanford Underground Research Facility, dans le Dakota du Sud.

Plus d'un millier de scientifiques et d'ingénieurs de 32 pays situés sur quatre continents (Afrique, Asie, Europe, Amérique du Nord et du Sud) travaillent au développement, à la conception et à la construction des détecteurs de neutrinos DUNE. La cérémonie du premier coup de pioche pour l'excavation des cavernes qui abriteront l'expérience a eu lieu en juillet 2017.

Images 3D

Lorsque les neutrinos entrent dans les détecteurs et viennent percuter les noyaux d'argon, ils produisent des particules chargées. Ces particules laissent des traces dans le liquide, sous forme d'ionisation, qui peuvent être décelées par des systèmes de trajectographie sophistiqués capables de créer des images en trois dimensions de processus subatomiques autrement invisibles.

"Les recherches effectuées auprès de DUNE seront complémentaires de celles menées auprès du LHC et d'autres expériences au CERN; ensemble, elles auront un fort potentiel pour apporter des réponses à certaines questions encore non résolues de la physique des particules", souligne la directrice générale du CERN, Fabiola Gianotti, citée dans le communiqué.

DUNE n'étudiera pas que les neutrinos, mais également leurs partenaires dans l'antimatière. Les scientifiques chercheront à observer d'éventuelles différences entre le comportement des neutrinos et celui des antineutrinos, ce qui pourrait nous donner des indices sur la raison pour laquelle l'univers visible est constitué principalement de matière.

Le rêve d'Einstein

DUNE cherchera aussi à observer des neutrinos produits lors de l'explosion d'une étoile, qui pourraient apporter des renseignements sur la formation d'étoiles à neutrons ou de trous noirs, et se penchera sur la question de savoir si les protons ont une durée de vie infinie ou s'ils finissent par se désintégrer.

Observer des désintégrations de protons nous rapprocherait du rêve d'Albert Einstein, à savoir une théorie de la grande unification, conclut le CERN.

ats