Ils ont construit une immense machine au fond de la mer pour capturer des particules fantômes issues de l’univers invisible

La présentation d’un dispositif sous-marin hors du commun

Lors de la conférence Neutrino 2024, le physicien Joao A. B. Coelho a présenté une réussite scientifique majeure devant un public enthousiaste. Ce chercheur rattaché au Laboratoire Astroparticule et Cosmologie français a dévoilé la première grande victoire d’un réseau de capteurs de neutrinos baptisé ARCA. Cette installation hors norme a permis d’identifier un neutrino hautement énergétique, une particule dont la présence pourrait indiquer une source liée à une explosion dans le cosmos.

Ce projet scientifique partage une grande partie de son ADN avec un dispositif célèbre du cinéma : la machine « Dorothy » issue du film Twister. L’installation sous-marine prend la forme d’un vaste groupe de globes oculaires artificiels sphériques, conçus pour détecter des particules de neutrinos légères comme des plumes sous l’océan. La structure est complexe, puisque ces « yeux » sont enfermés dans une sphère, et ces sphères sont à leur tour enfermées dans une autre sphère.

L’objectif de cette structure massive déployée sur les fonds marins au large des côtes de la Sicile est ambitieux. Les scientifiques se demandent si cette technologie pourrait les aider à localiser avec une plus grande précision les neutrinos de l’univers, des éléments à la fois mystérieux et extrêmement abondants.

Une infrastructure soumise aux conditions extrêmes des abysses

Construire des installations ou des infrastructures dans les profondeurs océaniques représente un défi colossal pour l’ingénierie. La portion ARCA de la plate-forme de recherche KM3NeT est installée à environ 3 500 mètres de profondeur, soit autour de 11 500 pieds, au fond de la mer Méditerranée. À ce niveau, la pression exercée par l’eau atteint des sommets.

Le matériel subit une pression d’environ 348 atmosphères. La comparaison avec la pression d’une atmosphère que nous ressentons au niveau de la mer donne une idée de l’intensité des conditions qui règnent à une telle profondeur. L’immersion lointaine offre cependant un avantage indéniable : les capteurs ont de bien meilleures chances d’observer les neutrinos, car la masse d’eau les protège d’une partie du bruit électromagnétique présent à la surface.

Le réseau physique prend la forme de grappes de capteurs accrochées à de longs brins verticaux. Ces câbles mesurent 700 mètres de long, ce qui représente environ 2 200 pieds. Leur rôle technique est de détecter et de séparer trois couches distinctes de bruit de particules afin d’isoler les signaux pertinents.

Le décryptage des deux premières couches d’interférences

La première couche identifiée par le système correspond au « bruit optique » de fond, un phénomène d’origine naturelle. Joao A. B. Coelho a expliqué que cette interférence provient principalement de la désintégration d’un isotope radioactif, le potassium 40. Ce bruit présente une grande régularité, une caractéristique qui aide concrètement les équipes à étalonner les instruments de mesure. Cette première strate pourrait même révéler des neutrinos éjectés par des supernovas, des particules qui possèdent une signature différente des autres éléments détectés par cette machinerie.

La deuxième couche de bruit est générée par les rayons cosmiques provenant de l’espace cosmique. Ces rayons frappent constamment l’atmosphère terrestre. Lorsqu’ils entrent en collision avec les noyaux des atomes qui s’y trouvent, ils se transforment en véritables feux d’artifice de particules.

Ces particules résultantes, selon les explications du chercheur, sont des muons qui se désintègrent rapidement. Ce processus produit un bruit optique qui peut, lui aussi, être utilisé pour l’étalonnage des capteurs. L’étude de ce phénomène contribue à résoudre certains problèmes persistants concernant l’existence des muons.

L’analogie de l’avocat et la traque du neutrino atmosphérique

La troisième couche mène les chercheurs aux neutrinos provenant directement de l’atmosphère terrestre. Le processus s’enclenche lorsqu’une partie des rayons cosmiques frappant notre atmosphère crée des muons. Ces derniers se désintègrent à leur tour pour devenir des neutrinos muoniques.

Pour illustrer cette mécanique complexe, le physicien a filé une métaphore singulière, comparant le phénomène à un avocat qui arriverait de l’espace. Lorsque le rayon cosmique, symbolisant l’avocat, frappe un noyau, il perd sa « peau ». Cette collision laisse apparaître une « chair » moins stable en dessous, qui représente le muon. La physique se charge ensuite de dépouiller cette chair, ne laissant finalement que le « noyau » : le neutrino muonique. Ce neutrino est très exactement l’élément recherché par les scientifiques.

Les neutrinos sont des éléments si extrêmement minuscules qu’ils peuvent traverser facilement presque n’importe quelle matière, y compris l’eau et la Terre elle-même. Sur l’une de ses diapositives, Joao A. B. Coelho a précisé : « La Terre est un excellent bouclier contre les rayons cosmiques, mais les neutrinos s’en moquent ». Les brins verticaux des capteurs de l’installation sous-marine ARCA parviennent à détecter ces particules infimes, tout en récoltant des informations qui déterminent quelle est la « saveur » de ces neutrinos.

L’arme secrète d’ARCA révèle une explosion lointaine

La revue scientifique Nature rapporte que le réseau ARCA a déjà détecté ce qui est probablement le neutrino le plus énergétique découvert à ce jour. Contrairement aux neutrinos « détendus » créés au sein de notre atmosphère, cette particule précise provient très probablement d’un événement « cataclysmique » survenu dans le cosmos lointain. Pour réussir cette capture inédite, l’installation s’appuie sur une arme secrète : une quatrième couche qui ignore tout le bruit précédent afin d’amplifier les neutrinos énergétiques provenant de plus loin.

Joao A. B. Coelho a souligné qu’à ce niveau d’énergie, l’environnement est presque toujours très sombre. Le basculement s’est opéré lorsque de nombreux capteurs de l’installation ARCA se sont illuminés face à un événement inattendu et très brillant. Les scientifiques ont tous pris note de la situation.

La signature de ce neutrino hautement énergétique valide les capacités technologiques du projet. Elle offre au réseau ARCA un terrain d’essai grandeur nature pour continuer à rechercher les neutrinos provenant du cosmos, ainsi que leurs sources explosives.

Selon la source : popularmechanics.com