Les photocapteurs de Super Kamiokande détectent les neutrinos sous forme de flashs lumineux. Crédit : Asahi Shimbun/Getty
Onze mille yeux orange géants font face aux quelques chanceux qui ont pénétré dans l’observatoire souterrain de neutrinos Super-Kamiokande au Japon – de loin le plus grand détecteur de neutrinos de ce type au monde. Il est rare d’avoir la chance de voir ces capteurs de lumière, car ils sont généralement immergés dans 50 000 tonnes d’eau purifiée. Mais une rénovation majeure du Super-K qui s’est achevée en janvier a offert une chance rare de jeter un coup d’œil à l’intérieur de cette grande cathédrale de la science.
Pour la première fois en plus d’une décennie, entre juin et janvier, l’eau a été vidée du détecteur dans le cadre d’une rénovation de 1,1 milliard de yens (10 millions de dollars US). Cette mise à niveau permettra, entre autres, à Super-K de rechercher les neutrinos émis par des supernovae lointaines, des explosions qui se produisent lorsqu’une étoile vieillissante s’effondre sous son propre poids. Les astronomes veulent ces données pour mieux comprendre l’histoire des supernovae dans l’Univers – mais les neutrinos qu’elles émettent ont été difficiles à détecter.
« Toutes les 2-3 secondes, une supernova explose quelque part dans l’Univers, et elle produit 1058 neutrinos », explique Masayuki Nakahata, qui dirige le Super-K, une collaboration internationale menée par le Japon et les États-Unis. Avec la mise à niveau, le détecteur devrait être en mesure de compter quelques uns de ces neutrinos « reliques » chaque mois, dit Nakahata, qui est physicien à l’Université de Tokyo.
Super-K se trouve à 1 000 mètres sous une montagne près de Hida, dans le centre du Japon. À l’intérieur, des molécules d’eau captent les neutrinos qui traversent le sol en provenance du Soleil et de l’atmosphère, ou qui sont envoyés par un accélérateur de particules situé à des centaines de kilomètres. Dans le courant de l’année, l’observatoire ajoutera à l’eau du gadolinium, un métal des terres rares. Cela permettra au détecteur de distinguer beaucoup mieux les différents types, ou « saveurs », de neutrinos, ainsi que leurs antiparticules, les antineutrinos.
En 1987, le détecteur Kamiokande, le prédécesseur plus petit de Super-K, a détecté les premiers neutrinos provenant d’une supernova. La douzaine de neutrinos provenait de la supernova 1987A, qui s’est produite dans le Grand Nuage de Magellan, une petite galaxie qui gravite autour de la Voie lactée. L’expérimentateur principal Masatoshi Koshiba a partagé le prix Nobel de physique 2002 en partie pour cette découverte. Mais aucun neutrinos n’a été associé à une supernova depuis lors.
Le physicien Masayuki Nakahata à l’intérieur du détecteur Super-K.Crédit : Noah Baker/Nature
La plupart des neutrinos solaires se révèlent en faisant tomber un électron d’une molécule d’eau à grande vitesse, produisant ainsi un faible flash lumineux (c’est ce que les » yeux » de Super-K voient). Mais d’autres neutrinos – et, en particulier, les antineutrinos qui constituent l’essentiel des émissions des supernovas – interagissent avec un proton dans un noyau atomique plutôt qu’avec un électron. Cette collision libère un neutron et un positron, la version antimatière de l’électron. Pour le détecteur, le signal du positron est difficile à distinguer de celui d’un électron provenant d’un neutrino solaire. Mais le neutron produit sa propre signature – un rayon γ – lorsqu’il est capturé par un autre noyau.
Nouvelle puissance
Les noyaux de gadolinium sont beaucoup plus efficaces que ne le sont les noyaux d’hydrogène ou d’oxygène de l’eau pour capturer de tels neutrons errants, et les rayons γ qu’ils produisent sont plus faciles à détecter par le Super-K, comme un autre flash de lumière. Ainsi, lorsqu’un antineutrino frappe, Super-K ne verra pas un seul flash mais deux, à quelques microsecondes d’intervalle.
John Beacom, astrophysicien théorique à l’Ohio State University de Columbus, et Mark Vagins, expérimentateur de Super-K aujourd’hui à l’Institut Kavli pour la physique et les mathématiques de l’Univers à Kashiwa, au Japon, ont eu l’idée d’ajouter du gadolinium à Super-K au début des années 20001. Le gadolinium avait été utilisé dans de petites expériences sur les neutrinos, mais jamais dans un détecteur d’eau.
« Lorsque nous avons commencé, tous ceux à qui nous avons parlé nous ont donné une liste de dix raisons pour lesquelles ce serait impossible », dit Beacom. Le plus grand défi, selon M. Vagins, était de savoir si l’eau du détecteur pouvait être filtrée en continu pour éliminer les impuretés sans éliminer le gadolinium en même temps. Il a mené un effort de dix ans pour démontrer que l’idée pouvait fonctionner, ce qui a impliqué la construction d’un détecteur de neutrinos de 6 millions de dollars US, appelé avec humour Evaluating Gadolinium’s Action on Detector Systems (EGADS). Une partie cruciale de cet effort a nécessité l’invention d’un nouveau type de système d’eau.
En 2015, Beacom et Vagins avaient persuadé la collaboration d’inclure le gadolinium dans la prochaine mise à niveau. Cette partie de la refonte est officieusement connue sous le nom de Gadolinium Antineutrino Detector Zealously Outperforming Old Kamiokande, Super ! (GADZOOKS !), point d’exclamation inclus. (Comme Egads, Gadzooks est souvent utilisé dans les bandes dessinées de super-héros pour dénoter la surprise.)
Super-K a déjà connu un énorme succès. En 1998, deux ans après le début des opérations, le détecteur a fourni la première preuve solide que les neutrinos et les antineutrinos peuvent « osciller », ou effectuer des cycles, entre trois saveurs. Cette découverte a obligé les théoriciens à modifier le modèle standard de la physique des particules – l’explication des particules et des forces de l’Univers – et a soulevé une foule de nouvelles questions. (Takaaki Kajita, qui est le collègue de Nakahata et l’ancien chef du Super-K, a partagé le prix Nobel de physique 2015 pour sa découverte de l’oscillation des neutrinos.)
« Super-K a eu autant d’influence sur la physique des particules, sinon plus, que le LHC, le collisionneur du CERN qui a découvert le boson de Higgs », déclare Janet Conrad, physicienne spécialiste des neutrinos au Massachusetts Institute of Technology à Cambridge.
« Je suis ravie que Super-K démarre maintenant avec le dopage au gadolinium. Je pense que la physique est très excitante », dit Conrad. « Je suis également heureux pour mes amis Mark Vagins et John Beacom. Beaucoup de gens disaient que cela ne pouvait pas être fait pour de nombreuses raisons. »
Hyper-K
Même si Super-K repart à zéro, les physiciens japonais font pression pour un frère encore plus grand appelé Hyper-Kamiokande. L’université de Tokyo a mis tout son poids dans ce projet de 55 milliards de yens, et les chercheurs attendent maintenant de savoir si le gouvernement national le financera. Une décision est attendue en août.
« Nous avons pour objectif de commencer la construction de l’Hyper-K dans deux ans, puis de le mettre en service en 2027 environ », déclare le chef de projet Masato Shiozawa, physicien à l’université et membre de longue date de la collaboration avec Super-K.
Le réservoir de l’Hyper-K contiendrait 260 000 tonnes d’eau, soit plus de cinq fois plus que celui de Super-K. Sa taille le rendrait beaucoup plus efficace pour détecter les supernovae, mais elle devrait également l’aider à étudier un autre mystère cosmique : pourquoi l’Univers semble-t-il être principalement constitué de matière, avec peu d’antimatière.
L’étape cruciale pour comprendre cette différence, selon les théoriciens, est de mesurer une asymétrie entre les neutrinos et les antineutrinos, plus précisément une différence dans la vitesse à laquelle les antineutrinos passent par leurs trois saveurs, par rapport à celle des neutrinos. Super-K a déjà observé de forts indices d’une telle différence, en utilisant des neutrinos projetés à travers la croûte terrestre par un accélérateur de particules, mais Hyper-K serait en mesure d’effectuer des mesures beaucoup plus précises.