De Genève au Gran Sasso en 2,5 millisecondes !

Le CERN enverra un faisceau de neutrinos sous les Alpes vers un détecteur distant de 730 km

Le CERN enverra un faisceau de neutrinos sous les Alpes vers un détecteur distant de 730 km

Le CERN* a établi avec l'Institut national italien de physique nucléaire (INFN) une collaboration ayant pour but d'envoyer sous terre, au-dessous des montagnes, un faisceau de neutrinos depuis Genève, en Suisse, jusqu'au Laboratoire du Gran Sasso en Italie centrale, à 730 km de là. Les expériences permettront d'apporter des lumières sur la possibilité que les neutrinos aient une masse et présentent la propriété insolite de se transformer d'un type de neutrino en un autre. Le feu vert pour le projet d'Installation neutrinos du CERN vers le Gran Sasso a été donné lors de la session du vendredi 17 décembre du Conseil du CERN, après l'approbation du projet par l'INFN. Le professeur Luciano Maiani, Directeur général du CERN, a déclaré: "L'approbation du projet d'Installation neutrinos du CERN vers le Gran Sasso est un magnifique stimulant pour la forte communauté européenne des physiciens des neutrinos". La collecte des données pour les expériences au Gran Sasso devrait commencer le 15 mai 2005. Plus de la moitié des 71 millions de francs suisses nécessaires au projet, auxquels s'ajoutent des équipements pour un montant de 22 millions de francs suisses déjà en service au CERN, seront apportés par l'INFN. 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.

Les neutrinos sont des particules insaisissables. Ils se déplacent à la vitesse de la lumière, ils n'interagissent pratiquement pas avec la matière et on a cru pendant très longtemps qu'ils étaient dépourvus de masse. Il existe trois types de neutrinos, ainsi qu'on a pu le déterminer avec précision au CERN, avec le Grand collisionneur électron-positon LEP, en 1989. Ce sont le neutrino de l'électron, associé à l'électron, le neutrino du muon, associé au muon (un muon est une sorte de version plus lourde de l'électron), et 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 le neutrino du tau n'a jamais été observé. Toutefois, l'existence d'un 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, il avait été postulé par Bruno Pontecorvo 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, peut-être, 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 proportions 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 la distance parcourue par les neutrinos à travers la Terre avant leur détection était grande, plus faible était la proportion de neutrinos du muon par rapport aux neutrinos de l'électron. Cet important résultat a donné une idée de ce qui se passe sans doute. 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 notre globe.

Si les neutrinos oscillent vraiment, cela pourrait contribuer beaucoup à l'explication d'un autre mystère, à savoir que 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. Les physiciens se demandent depuis longtemps où pourrait se trouver la majorité de la masse de l'Univers. Toutes nos théories physiques standard actuelles supposent que les neutrinos n'ont pas de masse, puisqu'ils interagissent à peine avec la matière, et personne n'est jamais parvenu à mesurer une masse en ce qui les concerne. Mais s'ils oscillent, alors la théorie énonce qu'ils doivent nécessairement avoir une masse. Celle-ci est probablement très faible, mais il existe un si grand nombre de neutrinos dans l'Univers (ils sont près d'un milliard de fois plus abondants que les protons!) qu'ils pourraient représenter ensemble au moins toute la masse qui existe dans les étoiles visibles.

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, et 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. Ce que ces projets ont en commun, c'est qu'ils ont un faisceau et 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 "Neutrinos 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 penser 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 sont observés. Deux expériences sont actuellement en préparation au Gran Sasso, OPERA et ICANOE; elles permettront de commencer à recueillir des données en 2005.

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 désintègreront 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, tandis que celle des détecteurs ICANOE et OPERA sera seulement de quelques mètres. La précision du tir qui peut être obtenue grâce à des méthodes éprouvées déjà utilisées au CERN est telle qu'à son arrivée au Gran Sasso le faisceau pourra être positionné à 40 mètres près.

L'installation a été spécialement conçue pour porter à son maximum l'intensité du faisceau ­ elle enverra environ 10 *18 (10 puissance18) neutrinos du muon du CERN au Gran Sasso chaque année. 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 justes, 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 la masse du neutrino. Pour que ce signal soit perçu, le bruit de fond (c'est-à-dire les événements décelés par les détecteurs, qui ressemblent 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 10 *12 (10 puissance12) neutrinos. Depuis Genève, le voyage souterrain des neutrinos les conduira en ligne droite sous le Mont Blanc, Aoste, Alexandrie (où il passeront le Pô), les Apennins (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, un record absolu en matière de déplacements internationaux!

Il faut espérer que ce projet à longue distance apportera des réponses d'une aussi grande portée. La détection du neutrino du tau et la mesure de sa masse ouvriraient indiscutablement une nouvelle ère de la physique.

Pour tout complément d'information auprès de l'INFN s'adresser au :

Prof. Alessandro Pascolini
Tel +39 049 827 7201
Fax +39 049 827 7208
Courriel: pascolini@pd.infn.it

Note(s)

* Le CERN, Laboratoire européen pour la physique des particules, a son siège à Genève. Ses Etats membres sont les suivants: Allemagne, Autriche, Belgique, Bulgarie, Danemark, Espagne, Finlande, France, Grèce, Hongrie, Italie, Norvège, Pays-Bas, Pologne, Portugal, la Slovaquie, la République tchèque, Royaume-Uni, Suède et Suisse.   La Fédération de Russie, les Etats-Unis, Israël, le Japon, la Turquie, la Commission des Communautés européennes et l'UNESCO ont le statut d'observateur.

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