UN FAISCEAU DE NEUTRINOS TRAVERSA LES ALPES
Le CERN, Laboratoire européen pour la physique des particules, a obtenu le feu vert pour le projet " Installation neutrinos " de Genève vers le Gran Sasso. La collecte des données pour les expériences devrait commencer en 2005. Plus de la moitié des 71 millions de CHF nécessaires au projet, auxquels s'ajoutent des équipements déjà en service au CERN, pour un montant de 22 millions de CHF, seront apportés par l'Institut national italien de physique nucléaire (INFIN). Le financement de la nouvelle installation sera complété par des contributions volontaires de l'Allemagne, de la Belgique, de l'Espagne et de la France.
Des particules oscillantes et insaisissables
Les neutrinos se déplacent à la vitesse de la lumière et n'interagissent pratiquement pas avec la matière. On a cru pendant très longtemps qu'ils étaient dépourvus de masse. Ainsi qu'on a pu le déterminer avec précision au CERN en 1989, avec le Grand collisionneur électronpositon LEP, il existe trois types de neutrinos :
- Le neutrino de l'électron, associé à l'électron ;
- le neutrino du muon, associé au muon ; un muon est une particule semblable à l'électron, mais de masse supérieure ;
- Le neutrino du tau, associé au tau ; le tau est une particule semblable au muon ou à l'électron, mais plus lourde.
Le neutrino de l'électron et le neutrino du muon ont tous deux été découverts, mais on n'a jamais pu observer le neutrino du tau. Toutefois, l'existence du neutrino associé peut être déduite des propriétés connues du tau.
L'existence des neutrinos a été prédite pour la première fois en 1930 par Wolfgang Pauli et, avant même leur découverte en 1955, Bruno Pontecorvo avait postulé qu'ils pouvaient se transformer, ou " osciller ", d'un type à un autre. Les premières indications de ce phénomène ont été apportées par l'observation du déficit de neutrinos produits par le Soleil. Le Soleil produit des neutrinos de l'électron qui, probablement, ne disparaissent pas mais se transforment en d'autres types de neutrinos qui échappent à l'observation, par exemple des neutrinos du muon ou du tau.
Lorsque des rayons cosmiques traversent l'atmosphère terrestre, des neutrinos de l'électron et des neutrinos du muon se forment dans des propositions relatives connues. L'expérience SuperKamiokande au Japon a mesuré le changement de ce rapport selon la distance que les neutrinos ont parcourue avant d'être détectés. On a constaté que plus cette distance est grande, plus faible est la proportion de neutrinos de muon par rapport aux neutrinos de l'électron. Cet important résultat a donné une idée de ce qui passe probablement. Si l'oscillation se produit uniquement sur de très longues distances, un plus grand nombre de neutrinos auront une possibilité de se transformer, peut-être en neutrinos du tau, et ainsi de disparaître apparemment, lorsqu'ils traverseront une longue distance dans le globe terrestre.
Une explication de la masse cachée de l'Univers ?
Les physiciens se demandent depuis longtemps où pourrait se trouver la majorité de la masse de l'Univers. En effet, la masse de toute la matière visible présente dans l'Univers ne représente qu'une faible proportion de la valeur de la masse totale calculée à partir de l'observation de la dynamique des galaxies. L'oscillation des neutrinos, qui prouverait qu'ils ont une masse, pourrait contribuer à expliquer ce mystère. Bien que cette masse, encore hypothétique, soit extrêmement faible, les neutrinos sont en si grand nombre dans l'Univers (ils sont près d'un milliard de fois plus abondants que les protons) que leur masse totale pourrait être égale celle de toutes les étoiles visibles.
D'autres expériences en cours
La prochaine étape consistera à observer le comportement des neutrinos sur une longue distance et dans les conditions contrôlées d'un faisceau accéléré. Les physiciens japonais effectuent une telle expérience sur la distance de 250 km qui sépare le Laboratoire KEK et le détecteur SuperKamiokande. Aux Etats-Unis, le Laboratoire national de l'accélérateur Fermi est bien avancé dans les préparatifs de l'établissement d'un faisceau de neutrinos de longue distance qui parcourra les 730 km qui séparent ce Laboratoire dans l'Illinois et le Laboratoire souterrain Soudan au Minnesota. Ces différents projets disposent d'un faisceau et d'une expérience optimisés pour répéter l'observation de SuperKamiokande, c'est-à-dire pour rechercher la disparition des neutrinos du muon dans des conditions contrôlées.
L'installation du CERN vers le Gran Sasso est complémentaire de ces expériences, mais elle est optimisée pour l'identification des neutrinos du tau, parce qu'on a de solides raisons de croire que les neutrinos du muon se transforment en cet autre type de neutrinos. Si des neutrinos du tau étaient détectés, ce serait non seulement une confirmation directe de cette hypothèse, mais aussi la première fois que des neutrinos de ce type seraient observés.
Comment créer des neutrinos
Le CERN crée des neutrinos en lançant des protons de haute énergie sur une cible. La grande quantité d'énergie produite lors du choc entraîne la formation d'une multitude de particules, parmi lesquelles des pions. Ces pions seront focalisés par des aimants et parcourront un tube de faisceau pointé vers le Gran Sasso où ils se désintégreront en muons et neutrinos, lesquels émergeront de l'extrémité du tube. Les muons, dont la désintégration en vol produit davantage de neutrinos, seront arrêtés en moins de huit cents mètres par un bloc de fer et par la terre et seuls les neutrinos poursuivront leur route jusqu'aux détecteurs. Le faisceau de neutrinos aura une largeur d'environ 1 km à son arrivée au Gran Sasso. La précision du tir est telle qu'à son arrivée au Gran Sasso, le faisceau pourra être positionné à 40 m près.
L'installation a été spécialement conçue pour porter à son maximum l'intensité du faisceau ; elle enverra chaque année environ 1018 neutrinos du muon du CERN au Gran Sasso. Une telle intensité est nécessaire, car les neutrinos interagissent si faiblement avec la matière que la grande majorité d'entre eux traverseront les détecteurs, tout comme ils auront voyagé sans encombre du CERN au Gran Sasso. Seuls environ 2500 de ces neutrinos interagiront avec une cible de 1000 tonnes.
Si les résultats de SuperKamiokande sont exacts, on prévoit que des dizaines de neutrinos atteignant les détecteurs du Gran Sasso se seront transformés en neutrinos du tau, mais le nombre exact dépendra de la valeur effective de leur masse. Pour que ce signal soit perçu, le bruit de fond (c'est-à-dire les événements blent à un neutrino du tau sans en être) doit donc être très faible. C'est pourquoi le faisceau et les expériences ont été optimisés pour limiter le bruit de fond attendu à un seul événement tous les deux ans. C'est l'un des avantages de l'installation des expériences à une grande profondeur sous les montagnes du Gran Sasso, qui offrent une protection supplémentaire contre les rayons cosmiques.
Le CERN enverra des neutrinos au Gran Sasso par saccades, à raison d'une giclée toutes les quelques secondes. Chaque impulsion aura une durée de 13 microsecondes et contiendra environ 1012 neutrinos. Depuis Genève, le voyage souterrain des neutrinos les conduira en ligne droite sous le Mont Blanc, Aoste, Alessandria (où ils atteindront leur profondeur maximale d'environ 8 km), Florence (à 4 km sous la surface) et Assise, avant de ressortir au Gran Sasso. A la vitesse de la lumière, il ne faudra que 2,5 millisecondes aux neutrinos pour atteindre le Gran Sasso depuis le CERN.
Renseignements :
Professeur Alessandro Pascolini
Tél.: 0039/ 49 827 7201
fax : 0039/ 49 827 7208
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CERN : http://www.cern.ch
La Revue Polytechnique No 1634
