À plus de 700 mètres sous une colline granitique dans le sud de la Chine, un immense détecteur scrute les mystères de l’univers.
Ce laboratoire souterrain futuriste a été conçu exclusivement pour capter les neutrinos, de minuscules particules cosmiques à la masse presque négligeable.
Jusqu’à présent, personne ne sait vraiment ce que sont ces « particules fantômes » ni comment elles fonctionnent.
Les scientifiques espèrent que ce laboratoire, dont le coût s’élève à 300 millions de dollars, pourra apporter des réponses essentielles à la compréhension des constituants fondamentaux de l’univers.
Les neutrinos existent depuis le Big Bang. Chaque seconde, des milliards traversent nos corps sans même que nous le remarquions. Ils sont émis par des étoiles comme le soleil ou générés lors des collisions d’atomes dans les accélérateurs de particules.
Ces particules sont indétectables dans leur trajectoire autonome, seules leurs interactions avec la matière peuvent être observées, par exemple sous la forme d’éclairs de lumière ou de particules chargées.
Étant donné que ces collisions sont extrêmement rares, les physiciens doivent déployer des moyens colossaux pour maximiser leurs chances d’en capter une.
C’est là qu’intervient l’Observatoire souterrain de neutrinos de Jiangmen.
Construit à Kaiping, ce détecteur a nécessité plus de neuf ans de travaux. Son emplacement, à 700 mètres de profondeur, le met à l’abri des rayons cosmiques et des radiations qui pourraient perturber ses mesures.
Sa forme sphérique est remplie d’un liquide capable d’émettre de la lumière lorsque les neutrinos le traversent. Ceux-ci proviennent de deux centrales nucléaires voisines.
La sphère, une fine bulle d’acrylique, est plongée dans un cylindre protecteur contenant 45 000 tonnes d’eau pure.
Lorsqu’un neutrino entre en collision avec un proton dans le détecteur, il déclenche de minuscules éclairs lumineux environ 50 fois par jour.
Ce laboratoire a été spécialement conçu pour résoudre un mystère majeur.
Les neutrinos existent sous trois formes appelées « saveurs » et passent de l’une à l’autre au fil de leur voyage à travers l’espace. Le défi est de déterminer leur ordre, du plus léger au plus lourd.
« Nous allons enfin connaître la hiérarchie des masses des neutrinos », confie Wang Yifang, scientifique en chef et responsable du projet, auprès du très reconnu journal The Times.
« Cette connaissance nous permettra de construire un modèle pour la physique des particules, les neutrinos et la cosmologie. »
Saisir ces changements subtils chez des particules déjà si difficiles à détecter sera un défi, souligne Kate Scholberg, physicienne à l’université Duke, qui ne fait pas partie du projet.
« Se lancer dans une telle entreprise est une véritable audace », déclare-t-elle.
Selon les calculs des physiciens, il faudra environ six ans pour enregistrer 100 000 signaux lumineux, un nombre suffisant pour obtenir des résultats statistiquement fiables.
Deux autres détecteurs similaires, au Japon et aux États-Unis, sont en construction. La mise en service est prévue entre 2027 et 2031, permettant une vérification croisée des découvertes par des méthodes différentes.
Bien que les neutrinos interagissent à peine avec la matière, ils existent depuis la naissance de l’univers. Étudier ces vestiges du Big Bang permet d’en apprendre davantage sur l’évolution et l’expansion de notre cosmos sur des milliards d’années.
« Ils font partie du tableau d’ensemble », précise la professeure Scholberg.
Une question majeure que cherchent à élucider les chercheurs est pourquoi l’univers est presque exclusivement composé de matière, alors que l’antimatière, son opposé, a pratiquement disparu.
Comprendre les particules fantômes
- Les neutrinos sont les particules de matière les plus abondantes dans l’univers.
- Des milliards d’entre eux traversent notre corps chaque seconde, sans jamais interagir.
- Ils pourraient expliquer pourquoi la matière domine l’univers et aider à unifier les théories des quatre forces fondamentales.
- Leur extrême discrétion rend leur étude très complexe.
- Découverts il y a près d’un siècle, ils restent encore largement mystérieux.
- Bien qu’ils interagissent peu, ces reliques du Big Bang sont des témoins clés des premières phases de l’univers.
- On espère qu’ils permettront de comprendre le déséquilibre entre matière et antimatière.
- Les chercheurs imaginent que les neutrinos pourraient avoir joué un rôle crucial dans la formation des règles fondamentales de la matière.
Points à retenir
- L’Observatoire souterrain de neutrinos de Jiangmen est un projet colossal, unique par sa profondeur et la taille de son détecteur sphérique.
- Il vise à étudier les neutrinos en provenance de centrales nucléaires proches, grâce à un système très sensible à ces particules rares.
- Ce projet s’inscrit dans un effort international, avec des installations similaires en cours de construction au Japon et aux États-Unis.
- Les neutrinos, bien que difficiles à détecter, recèlent d’importantes informations sur l’histoire et la composition de l’univers.
- Une découverte majeure attendue est la clarification de la hiérarchie de masse des neutrinos, clé pour la physique des particules et la cosmologie.
- La compréhension de ces particules pourrait également éclairer le mystère de la prédominance de la matière sur l’antimatière dans l’univers.
En somme, voilà un chantier scientifique titanesque, propre à faire tourner bien des neurones… ou devrais-je dire, stimuler la curiosité de nos neutrinos cérébraux. Reste à voir si l’univers daignera enfin livrer un peu de ses secrets, ou si nous resterons encore, pour un temps, aussi invisibles à cette science que ces mystérieux voyageurs cosmiques eux-mêmes.