JUNO : un géant pour écouter la discrète valse des neutrinos
Le gigantesque détecteur JUNO, en cours de construction en Chine avec la participation de l'IN2P3, mettra bientôt sur écoute les insaisissables et mystérieuses particules élémentaires que sont les neutrinos. Son objectif : percer les secrets de la discrète valse interprétée par ces fantomatiques grains de matière, que les scientifiques nomment oscillations et qui les intriguent tant. A un an du démarrage de l’expérience, descente en images à 700m sous terre au cœur du géant en construction.
L'essentiel est invisible
C’est au milieu des collines arborées de Jiangmen, dans le sud de la Chine, que se trouve l’expérience internationale d’étude des neutrinos : JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory). Elle est menée par une collaboration internationale de 15 pays faisant intervenir 5 laboratoires IN2P3 (CPPM, IPHC, LP2IB, Subatech et IJCLab) et pour but d'étudier avec une précision jamais égalée le comportement des neutrinos, des particules élementaires fantomatiques, que les scientifiques tentent de cerner depuis plus de 60 ans. Ne vous fiez pas trop à l’image, ces grandes infrastructures visibles dans les montagnes ne sont que la partie émergée de l’iceberg. En effet JUNO est une expérience sous-terraine située 700m plus bas à la verticale du site que l’on aperçoit au creux des montagnes au bout de la route.
Quelque part au sud de la Chine
L’observatoire n’est pas niché au milieu des montagnes par hasard. Dans le but de profiter d’un flux maximum de neutrinos, JUNO a été construit pile entre deux puissantes centrales nucléaires. Les réactions nucléaires au cœur des réacteurs sont en effet des sources abondantes de neutrinos et plus il y en aura, plus les mesures seront précises. Par ailleurs, JUNO a été placé précisément à 53 km de chacune des 2 centrales pour que se manifeste avec le plus d’intensité possible un phénomène très spécifique de ces particules : l'oscillation.
Alors on danse...
Les neutrinos sont de facétieuses particules. Non seulement ils sont quasiment insaisissables mais en plus, ils dansent en continu une valse à trois temps au cours de laquelle ils ne cessent de se transformer. Il existe en effet trois sortes de neutrinos… Chacun de ces temps représente une variété de neutrino (électronique, muonique et tauique) et au cours de leur voyage ces particules peuvent changer de variété selon des règles encore en partie mystérieuses : c’est l’oscillation des neutrinos. Dans les secrets de cette valse se cache des informations précieuses sur cette grande salle de bal qu’est l’Univers, que les physiciens tels des spectateurs scrutent avec une méticuleuse attention.
Laissez-vous guider
C’est en empruntant un funiculaire spécial le long d’une galerie digne d’une nef de cathédrale, que l’on accède après une descente d'un kilomètre et demi à la caverne abritant le détecteur. Et pour cause, pour observer la petite valse des neutrinos, il est nécessaire de s’isoler le plus possible de l’agitation que provoquent les rayons venus du ciel. Le meilleur moyen pour cela est de s’enterrer profondément sous une énorme masse de roche qui va servir de blindage naturel. C’est là, dans le « calme» des profondeurs de la Terre qu’il devient alors possible d’observer la valse des particules les plus insaisissables de notre Univers.
Le plus grand dancefloor du monde
Au bout du tunnel, s’ouvre un gouffre de 44 mètres de profondeur et de 43,5 m de diamètre dans lequel se loge tout juste la sphère métallique géante du détecteur JUNO en cours d’assemblage. La minuscule tâche orange d’un technicien au centre de la structure métallique donne une idée de la démesure de l’expérience.
Passage aux vestiaires
JUNO est conçu un peu comme un oignon, en couches concentriques. La sphère de métal extérieure sert de support pour l’instrumentation du détecteur. Cette instrumentation reposera elle-même sur une seconde sphère transparente, qui sera le siège de la détection des neutrinos.
Sous les spotlights de la physique
La seconde sphère, dont on voit ici le sommet à l’intérieur de la structure métallique, affichera un diamètre de 35,4 m. Elle est en verre acrylique et, une fois achevée, elle sera remplie de 20 000 tonnes de liquide scintillant, une sorte d’huile enrichie en fluor et spécialement dosée pour émettre un flash lumineux dès qu’un neutrino accepte de réagir dedans. L’ensemble, huile et verre acrylique, laisse le flash lumineux se propager jusqu’aux détecteurs de lumière qui seront disposés tout autour.
Une grande salle de bal
Les neutrinos sont des particules qui savent se faire discrètes, environ 400 000 milliards de ces particules provenant du Soleil nous traversent chaque seconde sans que nous nous en apercevions ! De la même façon, elles traversent notre planète sans plus de difficulté et pour être sûr de détecter un neutrino solitaire, il faudrait lui opposer un mur de plomb… d’une année lumière d’épaisseur ! Mais JUNO s'intéressera avant tout aux quelques 500 millions de milliards de neutrinos par seconde provenant des deux centrales nucléaires de Yangjian et Taishan.
Flashdance
Le liquide scintillant du détecteur n’augmente pas le taux « d’interception » des neutrinos. Cependant, très rarement, il arrive que l’un d’entre eux interagisse avec le proton d’un atome du liquide scintillant. Quand cela arrive, il y a émission d’un faible signal lumineux. Le nombre prévu de ces interactions devrait se situer entre 40 et 60 interactions par jour seulement comparé aux millions de milliards de neutrinos qui passent à chaque seconde en provenance uniquement des centrales !
En toute transparence
Le secret du bon fonctionnement de JUNO dépend de la très grande transparence des éléments centraux, à commencer par le liquide scintillant qui a été spécialement étudié pour être le plus translucide possible. La sphère, elle-même faite d’un matériau transparent, le verre acrylique, laisse bien entrevoir les poutres de la structure métallique qui la tient en place. Les rares émissions lumineuses ayant lieu chaque jour se propageront dans le liquide avant d’arriver sur les bords de la sphère. Là, les photons seront captés par des dizaines de milliers de dispositifs spéciaux entourant la sphère : des photomultiplicateurs.
Les feux de la rampe
Ne vous y trompez pas, ces globes ne sont pas des ampoules lumineuses mais des photomultiplicateurs. Autrement dit, ce sont les yeux de JUNO. Au moindre photon qui passe, ces dispositifs convertissent la lumière en signaux électriques que les scientifiques peuvent analyser dans leurs ordinateurs. Pour maximiser les chances de capter les rares photons émanant des réactions, la sphère transparente sera recouverte de 42 000 de ces dispositifs.
Tenue correcte exigée...
Les neutrinos ne sont malheureusement pas les seuls à parcourir les profondeurs. Malgré les 700 mètres de roches situées au-dessus de JUNO, il arrive que des particules très énergétiques, capables de pénétrer profondément dans le sol et d’imiter la signature d’un neutrino, interagissent avec le liquide scintillant. C’est pourquoi la sphère de verre acrylique est plongée dans une vaste piscine d’eau purifiée, équipée de 2 000 photomultiplicateurs et coiffée d’une série de trajectographes. Ce dispositif remplira, en quelque sorte, le même rôle qu’un réducteur de bruit dans un casque audio. Il repèrera spécifiquement les particules parasites pour permettre aux physiciens et physiciennes de ne pas tenir compte de leur signal dans la cuve de liquide scintillant.
La valse à mille temps
En plus d'observer les neutrinos émanant des centrales, JUNO s’offrira quelques détours du côté d’autres amours. Il prêtera ses 42 000 « yeux » à l’observation de différents phénomènes, comme la génération des géoneutrinos au sein de la croûte terrestre du fait de la radioactivité des roches permettant d’en savoir plus sur la proportion d’éléments radioactifs dans la croûte terrestre. Il observera aussi une danse nettement plus rock’n roll : celle de neutrinos émanant des supernovae. Ces explosions, parmi les plus violentes de notre Univers, génèrent des bouffées de neutrinos dont l’étude permettra d’en savoir plus sur les mécanismes explosifs en jeu. Un détecteur comme JUNO est prévu pour prendre des données pour environ 50 ans. Au cœur de JUNO, les neutrinos n’ont pas fini de valser…