Fe plus d’un siècle, la ville minière de Lead, dans les Black Hills du Dakota du Sud, attirait des travailleurs épris d’or. Aujourd’hui, une expérience phare en construction dans l’ancienne mine attire les scientifiques à la recherche de richesses encore plus intrigantes : des réponses aux mystères les plus profonds de l’univers.
La construction de l’expérience Deep Underground Neutrino (Dune) dans l’ancienne mine de Homestake doit commencer lundi. Les ingénieurs commenceront à assembler quatre détecteurs géants à l’intérieur de cavernes creusées dans la roche à un kilomètre sous terre.
Une fois allumés, les détecteurs émettent des étincelles et clignotent silencieusement tandis que des particules fantomatiques appelées neutrinos les traversent. Certaines arriveront du soleil et de supernovas lointaines, d’autres sous la forme d’un faisceau intense envoyé à travers 1 300 km de roche depuis un laboratoire gouvernemental près de Chicago, dans l’Illinois.
L’observation des neutrinos pourrait révéler des découvertes scientifiques entièrement nouvelles et mettre en lumière des spectacles cosmiques, tels que la mort des étoiles et la naissance des trous noirs. Les scientifiques espèrent particulièrement résoudre l’une des énigmes les plus tenaces de la nature : pourquoi tout ce qui nous entoure est constitué de matière et non de son « jumeau maléfique », l’antimatière. En d’autres termes, pourquoi nous, et pourquoi quoi que ce soit, est-il ici.
“C’est une période extrêmement excitante pour travailler là-dessus”, a déclaré le Dr Kate Shaw, physicienne des particules expérimentale sur Dune de l’Université du Sussex. “Les neutrinos n’ont pas encore de sens et ils pourraient ouvrir la porte à une nouvelle physique.”
Les neutrinos sont les particules de matière les plus abondantes dans l’univers, dépassées en nombre par les photons, les particules de lumière sans masse qui éclairent l’univers. Ils sont produits lors de réactions nucléaires naturelles, telles que celles qui alimentent le soleil, lors de la désintégration radioactive et dans les accélérateurs de particules.
Même selon les normes des physiciens, les neutrinos sont bizarres. Les particules sans charge interagissent à peine avec d’autres matières : environ un billion passe inaperçu dans votre corps chaque seconde. Il existe trois variétés de neutrinos, toutes avec des masses minuscules mais différentes. Bizarrement, ils passent d’une variété à une autre, un processus appelé oscillation, au fur et à mesure de leur déplacement. “C’est un comportement très étrange”, a déclaré Shaw. “C’est comme si je te lançais une pomme et qu’elle se transformait en banane.”
Le plomb a une histoire avec ces particules particulières. Dans les années 1960, le physicien Ray Davis a suivi les mineurs dans le puits et a construit un détecteur à partir d’un réservoir de 100 000 gallons rempli de liquide de nettoyage à sec. Protégé si profondément sous terre, le détecteur est devenu le premier à enregistrer les neutrinos du soleil lorsqu’ils heurtaient des atomes de chlore dans le fluide et les transformaient en argon.
La mine a fermé ses portes en 2001 et a été transformée, grâce à une réflexion visionnaire, en un laboratoire souterrain dédié, le Sanford Underground Research Facility (Surf). Elle abrite déjà l’expérience Lux-Zeplin (LZ) qui a rapporté le mois dernier la première détection potentielle de matière noire.
« Nous sommes passés de l’exploitation minière de la Terre à l’aide aux scientifiques pour explorer l’univers », a déclaré Robin Lucero, administrateur de la ville de Lead, dont la famille vit localement depuis des générations. “Nous sommes incroyablement fiers et chanceux que Dune se déroule ici, ainsi que Surf, qui mène d’autres expériences comme LZ. Avoir une science de classe mondiale apporte de nouvelles opportunités, de nouvelles personnes et de nouvelles possibilités pour nos entreprises locales et en particulier pour nos jeunes.”
Contrairement à l’appareil de Davis, l’expérience Dune est énorme. Fabriqués à partir de plus de 4 000 tonnes d’acier, les détecteurs s’élèveront sur cinq étages et contiendront au total 70 000 tonnes d’argon liquide qui devra être refroidi à -200 °C. L’assemblage des détecteurs devrait prendre près de trois ans. Les remplir d’argon liquide, une autre année.
“Il s’agit d’une opération d’ingénierie lourde” et d’un partenariat avec la main-d’œuvre locale qualifiée, a déclaré le professeur David Newbold, du Conseil britannique des installations scientifiques et technologiques et porte-parole de Dune. “C’est comme construire un navire sous terre.” Le Royaume-Uni est le plus grand partenaire international de l’expérience menée par les États-Unis et fabrique les composants de base du détecteur, le calcul critique pour reconstituer les événements dans les détecteurs et la cible en graphite nécessaire pour générer des neutrinos au Femilab, une installation de physique des particules dans l’Illinois.
Une fois opérationnel, Dune étudiera un faisceau intense de neutrinos envoyé depuis le laboratoire Fermi à travers 800 milles de la croûte et du manteau terrestre. La plupart des neutrinos passeront à travers, mais de temps en temps, l’un d’eux heurtera un atome d’argon, créant un scintillement de lumière et une impulsion de charge électrique. Leur analyse révélera des détails intimes sur les particules mystérieuses.
Une grande question concerne la masse des différents neutrinos. Lequel est le plus léger et lequel est le plus lourd ? La réponse pourrait révéler de nouvelles forces fondamentales de la nature. Et pour tenter de répondre à la question matière contre antimatière, Dune recherchera des différences subtiles entre les neutrinos et leurs jumeaux antimatière, les antineutrinos.
Au-delà des faisceaux de particules envoyés depuis le Laboratoire Fermi, Dune étudiera également les neutrinos arrivant de l’espace, emportant avec eux de nouvelles informations sur les explosions stellaires et la formation des trous noirs.
Plus tôt ce mois-ci, le prix Nobel de physique a honoré le chercheur belge Francis Halzen, qui a utilisé un kilomètre cube de l’Antarctique pour détecter des neutrinos de haute énergie provenant de l’espace lointain. Mais la détection est loin d’être la fin de l’histoire. “Cela va vraiment être un âge d’or”, a déclaré Newbold. “Il y a beaucoup plus de choses à venir.”
