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Expérience de Neutrinos Profonds Sous Terre (DUNE): Décoder les Mystères de l’Univers
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Apercevoir la particule la plus insaisissable
Fundamental physics has always relied on a mix of theory and experiments to progress our understanding of the Universe. To this day, one of the most difficult to answer questions is about the fundamental nature of gravity and the forces that direct the Universe. It has long been known that the answer is likely to be found in an elusive and almost impossible-to-study particle: the neutrino.
Ceci est le but du méga-projet Deep Underground Neutrino Experiment, aka ‘DUNE.’ Cet effort impressionnant s’étend sur plusieurs États aux États‑Unis et implique plus de 800 miles / 1 300 km d’expériences souterraines.
Qu’est‑ce que les neutrinos ?
Les neutrinos sont une particule électriquement neutre avec une masse extrêmement petite qui a longtemps été supposée nulle. Aujourd’hui, nous ne savons pas du tout pourquoi les neutrinos ont une masse, si ce n’est qu’elle semble fonctionner différemment de celle des autres particules.
Ce qui rend les neutrinos uniques, c’est qu’ils sont essentiellement des « fantômes », interagissant à peine avec les autres formes de matière. Cela est dû au fait que les neutrinos n’interagissent qu’avec 2 des 4 forces fondamentales de l’Univers: la gravité et l’interaction faible.
Comme l’interaction faible a une portée très courte, et que la gravité affecte à peine les neutrinos de faible masse, les neutrinos traversent généralement la matière sans interagir ni être ralentis. En conséquence, les neutrinos voyagent presque à la vitesse de la lumière.
Les neutrinos sont une particule fondamentale qui ne peut pas être décomposée en composants plus petits et existent sous 3 variantes: les neutrinos électroniques, les neutrinos muoniques et les neutrinos tau. Pour compliquer davantage les choses, les neutrinos semblent régulièrement passer d’une variante à l’autre.
Il est également possible qu’un 4e existe également, neutrinos stériles, encore plus difficiles à détecter que les autres.
La plupart des neutrinos sont produits par des réactions nucléaires, depuis les fusions nucléaires dans les étoiles jusqu’à la désintégration radioactive au centre de la Terre.
Malgré leur nature insaisissable, on pense que les neutrinos sont la particule la plus abondante de l’Univers. Environ mille trillions de neutrinos traversent notre corps chaque seconde.
Vous pouvez en savoir plus sur les neutrinos sur le site dédié « all things neutrinos » créé par le Fermilab.
Conception de DUNE
Comment détecter et étudier une particule se déplaçant à la vitesse de la lumière alors qu’elle n’interagit pas avec la matière ordinaire ? C’est la question à laquelle DUNE cherche à répondre.
DUNE s’étendra entre le Fermilab, le laboratoire américain de physique des particules et d’accélérateurs en Illinois, et le Sanford Underground Research Facility (SURF ou Sanford Lab) dans le Dakota du Sud.
Source: DUNE
Les différents sites auront chacun leur tâche spécialisée à accomplir.
Fermilab
Un accélérateur de protons appelé le Proton Improvement Plan‑II (PIP‑II) est utilisé sur le site du Fermilab pour créer un flux de neutrinos. PIP‑II est une amélioration de l’accélération de particules précédente au Fermilab. Il utilise des technologies de radiofréquence supraconductrices pour fournir des faisceaux de protons puissants qui, voyageant presque à la vitesse de la lumière, peuvent être adaptés à une variété d’expériences.
Les structures d’accélération seront refroidies à 2 K (-456 °F / -271 °C, 2 degrés au-dessus du zéro absolu) afin de fournir une accélération efficace et à haute puissance.
Ce refroidissement est rendu possible grâce à une unité de refroidissement gigantesque, de la taille d’un entrepôt, qui est encore en construction.
Source: Fermilab
Une partie de l’unité de refroidissement, le cryobox cryogénique, a été construite en Europe par le CERN et est arrivée au Fermilab en décembre 2024.
Source: Fermilab
Le Fermilab disposera également d’un détecteur qui enregistrera les interactions de particules près de la source du faisceau. Une colline de 18 m de haut (60 pieds) a été construite pour incliner la ligne de faisceau à l’angle correct afin d’envoyer les neutrinos vers le Dakota du Sud. Le faisceau de particules est dirigé vers le bas pour tenir compte de la courbure de la Terre et n’est pas arrêté par les 800 miles de roches entre les deux.
Source: Fermilab
Sanford Underground Research Facility (SURF)
Le SURF abritera le plus grand détecteur de neutrinos de ce type jamais construit au monde. Il utilisera 70 000 tonnes d’argon liquide pour capturer les neutrinos interagissant avec la matière ordinaire.
Au total, 4 modules détecteurs seront construits, soutenus par de grands systèmes de soutien cryogénique.
Source: Fermilab
Cela est construit profondément sous terre, à 1 mile / 1,5 km de profondeur, en réutilisant un ancien puits de mine d’or pour creuser profondément et créer une vaste caverne artificielle souterraine.
Au total, environ 800 000 tonnes de roche ont été excavées pour créer l’espace des quatre modules du détecteur lointain de DUNE et les installations nécessaires souterraines. Ces roches ont été déversées dans une ancienne zone minière.
Source: Fermilab
Ensemble, l’accélérateur de protons du Fermilab, le détecteur et les détecteurs de neutrinos du SURF forment le Long‑Baseline Neutrino Facility (LBNF).
Que peut accomplir DUNE ?
Il est toujours difficile de prédire exactement ce qu’une expérience de physique des particules réalisera, ce qui, après tout, est le but même. Cependant, nous pouvons attendre des progrès sur trois sujets différents du projet DUNE.
Origine de la matière
Depuis l’explosion initiale de matière et d’antimatière lors du Big Bang, la matière est devenue la particule dominante de l’Univers. Il n’est toujours pas vraiment clair pourquoi, car on pense que les deux ont été créés en quantités égales.
Les neutrinos pourraient être la réponse. Certains physiciens pensent que les neutrinos sont uniques en ce sens qu’ils sont aussi leurs propres antiparticules. D’autres pensent que le passage des neutrinos d’une saveur à l’autre pourrait être l’élément important. Dans tous les cas, les neutrinos pourraient avoir fait pencher la balance en faveur de la domination actuelle de la matière.
À l’inverse, s’il était prouvé que les neutrinos ne sont pas responsables, cela obligerait les physiciens à redessiner leurs théories sur l’origine de l’Univers.
Unification des forces
La connexion entre les 4 forces fondamentales (électromagnétisme, interaction faible, interaction forte et gravité) reste mal comprise.
DUNE pourrait aider à détecter quelque chose de théorisé mais jamais observé expérimentalement : la désintégration du proton.
Les physiciens s’appuient aujourd’hui principalement sur le Modèle Standard de la physique des particules. C’est un cadre solide, mais il ne parvient pas à expliquer certains phénomènes ni à unifier les différentes forces. Si la désintégration du proton était mesurée, elle nous donnerait un aperçu du modèle alternatif qui fonctionnerait à la place des théories de grande unification (GUT), de la gravité quantique, de la supersymétrie, etc.
Trous noirs
Les neutrinos sont produits en grande quantité lors de l’effondrement d’étoiles en trous noirs. L’excellente capacité de détection des neutrinos de DUNE pourrait nous aider à observer ce qui se passe à l’intérieur des étoiles à neutrons, et potentiellement assister à la naissance d’un trou noir.
Cela, à son tour, pourrait nous aider à mieux comprendre la gravité, tant à l’échelle cosmique qu’à l’échelle quantique.
Les personnes de DUNE
DUNE implique plus de 30 pays et 1 000 scientifiques.
Source: DUNE
Il serait impossible de détailler la contribution de chaque scientifique à ce projet collectif massif. Nous pouvons toutefois mettre en avant la participation de quelques-uns d’entre eux :
Pantaleo Raimondi
Il est le nouveau directeur de projet pour le Proton Improvement Plan II, après une carrière passée à travailler sur des accélérateurs de particules au CERN, DAFNE, et ESFR.
“Pantaleo a rejoint le PIP‑II au bon moment. Alors que le projet finalise toutes les activités de conception finale, pousse la phase d’approvisionnement et commence la planification détaillée de l’intégration et de la mise en service, son expérience acquise en dirigeant ces efforts au ESRF et ailleurs sera inestimable.”
Allan Rowe – Responsable de l’intégration technique du PIP‑II
Carlo Rubia
Lauréat du prix Nobel et ancien directeur du CERN, il a d’abord développé la méthode de détection des neutrinos utilisée par DUNE.
Pendant son mandat, en 1993, « Le CERN a accepté de permettre à quiconque d’utiliser le protocole Web et le code gratuitement… sans aucune redevance ni autre contrainte ».
Vous pouvez l’écouter parler du projet DUNE et d’autres projets de recherche sur les neutrinos comme ICARUS dans cette vidéo.
Alexandre Sousa
Spécialiste des neutrinos, il se concentre particulièrement sur les neutrinos stériles et la physique « au‑delà‑du‑modèle‑standard ».
“Cela n’a peut‑être pas d’impact sur votre quotidien, mais nous essayons de comprendre pourquoi nous sommes ici. Les neutrinos semblent détenir la clé pour répondre à ces questions très profondes.
“Avec ces deux modules détecteurs et le faisceau de neutrinos le plus puissant jamais créé, nous pouvons réaliser de nombreuses recherches. Le lancement de DUNE sera extrêmement excitant. Ce sera la meilleure expérience de neutrinos jamais réalisée.”
Coûts croissants & Chronologie
La construction du projet a commencé en 2017, et la première excavation dans le Dakota a débuté en 2019. La première excavation de la caverne principale dans le Dakota a commencé en 2021.
En août 2024, le détecteur prototype a enregistré ses premiers neutrinos produits par l’accélérateur.
Source: DUNE
Ce n’a toutefois pas été un processus simple. Par exemple, le puits de mine a dû être rénové avant que la roche puisse être extraite pour construire les cavernes souterraines, retardant le projet et coûtant au moins 300 M$ supplémentaires.
La mise à niveau de l’accélérateur de particules du Fermilab a entraîné une facture supplémentaire d’un milliard de dollars. Cette mise à jour a également été accompagnée d’un grave incident, un travailleur étant tombé de 23 pieds sur du béton, entraînant une interruption de six mois des travaux jusqu’à ce que les procédures de sécurité soient revues.
Globalement, les estimations initiales du projet le chiffrèrent à 1,5 M$ avec une finition prévue pour 2035. Il semble maintenant plus probable un budget de 3,3 M$ et une échéance en 2040. En tenant compte de tout, le projet pourrait coûter jusqu’à 5 M$ aux contribuables américains.
Cela a conduit à certaines critiques dans la presse et de la part de scientifiques non impliqués.
“Oui, il y a du bruit, mais les personnes qui écrivent ces choses ne savent pas de quoi elles parlent. Les débuts d’un projet sont toujours marqués par un optimisme débordant qui ne se révèle jamais vrai.
Le James Webb Space Telescope a été lancé en décembre 2021 après des années de retards et de dépassements de coûts, et il ouvre désormais régulièrement de nouvelles frontières cosmiques. Il n’y a pas de remède comme le succès.
Ron Ray, directeur adjoint du projet DUNE
Cependant, même avec les retards et les coûts supplémentaires, abandonner DUNE signifierait voir les États‑Unis prendre du retard par rapport au reste du monde en physique des particules.
La concurrence s’intensifie
Cela est particulièrement vrai puisque deux autres méga‑projets d’expérimentation des neutrinos se développent également. L’un au Japon et l’autre en Chine.
« Tout ce qui vaut la peine d’être fait implique de la concurrence. Mais ce n’est pas une simple course de chevaux ; les expériences sur les neutrinos ont toujours impliqué une collaboration internationale.
De plus, DUNE a des objectifs supplémentaires, dont la recherche de la matière noire, cette substance invisible qui constitue la majeure partie du cosmos, et l’étude des neutrinos provenant des morts cataclysmiques d’étoiles lointaines.
En coulisses, les scientifiques de DUNE ont réalisé des progrès constants vers la perfection du détecteur à argon liquide, qui était encore une technologie naissante en 2012 lorsque les concepteurs de DUNE ont parié dessus. Je regarde toute la liste des choses qui auraient pu se dérouler différemment et c’est comme si toutes les étoiles s’alignaient.
Sam Zeller – Physicien au Fermilab
Hyper‑Kamiokande
Hyper‑Kamiokande, ou Hyper‑K, est le successeur du Super‑Kamiokande, qui a découvert en 1998 la première forte preuve de l’oscillation des neutrinos entre les types de neutrinos. Le Super‑Kamiokande a également joué un rôle clé dans la démonstration que les neutrinos possèdent une masse.
Contrairement à DUNE, qui envisage de construire une toute nouvelle conception d’expérience de neutrinos, Hyper‑K est davantage une mise à niveau d’une technologie existante. Cela devrait l’aider à progresser plus rapidement, avec le début de l’exploitation prévu dès 2027.
Cela pourrait lui permettre d’établir pour la première fois une estimation approximative du déséquilibre entre neutrinos et antineutrinos.
Hyper‑K et Dune pourraient être plus des partenaires que des concurrents, car différentes méthodes de détection des neutrinos peuvent aider lors de la même mesure. Certaines mesures spécifiques pourraient également fonctionner mieux sur l’une que sur l’autre pour des raisons techniques. Comme le Japon et les États‑Unis ont une longue histoire de collaboration scientifique, il est probable que ce soit davantage une rivalité amicale entre Hyper‑K et DUNE.
Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO)
Dans le contexte de la compétition des grandes puissances entre les États‑Unis et la Chine, le JUNO est susceptible d’être perçu comme un concurrent de DUNE.
JUNO bénéficie d’un avantage de premier arrivé et propose une conception expérimentale unique sur le plan physique. En tant que projet collaboratif international dirigé par la Chine, le JUNO renforcera davantage la position de leader de la Chine dans ce domaine.
Le détecteur est constitué d’une cuve cylindrique de 44 m de profondeur dans la salle souterraine, enterrée profondément dans une couche de granit d’une colline. Depuis décembre 2024, elle a été remplie d’eau ultra‑pure à raison de 100 tonnes par heure.
Source: Global Times
Cette cuve abrite le détecteur, équipé de 20 000 tubes à photomultiplication de 20 pouces et de 25 000 tubes à photomultiplication de trois pouces, ainsi que de câbles, de bobines de blindage magnétique, de déflecteurs de lumière et d’autres composants.
La cuve protège le détecteur des interférences des rayons cosmiques sur la détection des neutrinos, ainsi que de la radioactivité naturelle de la roche environnante.
L’injection du liquide se déroulera en deux étapes. Pendant les deux premiers mois, l’eau ultra‑pure remplira les espaces à l’intérieur et à l’extérieur de la sphère acrylique du détecteur central. Au cours des six mois suivants, l’eau ultra‑pure à l’intérieur de la sphère sera remplacée par un scintillateur liquide.
Le processus complet d’injection du liquide devrait être terminé d’ici août 2025, après quoi l’installation commencera officiellement son exploitation et la collecte de données.
Projets futurs de neutrinos
DUNE, Hyper‑K et JUNO sont les projets de neutrinos déjà en construction. D’autres sont encore au stade conceptuel mais pourraient débloquer une compréhension plus approfondie de la physique des particules.
Un d’entre eux est Enhanced NeUtrino BEams from kaon Tagging (ENUBET), un projet européen. Il tentera de détecter le lepton chargé créé chaque fois qu’un neutrino est produit. Cela pourrait approfondir notre compréhension du déséquilibre entre matière et antimatière.
Un autre est NuTag, utilisant une technique expérimentale novatrice : le marquage des neutrinos. Cela impliquerait un nouveau type de ligne de faisceau de neutrinos. Ce concept a déjà été proposé en 1979, mais ce n’est que récemment que les détecteurs en silicium ont pu survivre à une exposition directe à un faisceau de particules hadroniques.
Conclusion sur DUNE
DUNE est le type de méga‑projet scientifique qui ne semble pas avoir d’application directe à première vue. En cela, il ressemble beaucoup à la plupart des sciences de la physique des particules et de la physique quantique du début du XXe siècle.
Cette première investigation des aspects fondamentaux de notre réalité, cependant, produira finalement des résultats nécessaires au progrès, tels que l’énergie nucléaire (et les bombes), la microscopie électronique, les micro‑circuits avancés, les satellites, etc.
Il est probable qu’une compréhension plus profonde des neutrinos engendrera des résultats similaires à long terme sur le progrès technologique, la plupart des avancées se situant plusieurs décennies plus tard, impossibles à prévoir.
Une meilleure compréhension des neutrinos et de leur production pourrait également avoir une gamme d’applications :
- Transformer le combustible usé des réacteurs nucléaires en matériaux à radioactivité réduite, ou utiliser les neutrinos pour surveiller le combustible radioactif.
- Utiliser les neutrinos pour surveiller les sous‑marins nucléaires sous l’eau, le point central du programme secret de détecteur expérimental de neutrinos de la DARPA.
- Inspecter la Terre à la recherche de cavités contenant d’éventuels gisements de pétrole ou de minéraux.
- Communication par neutrinos, potentiellement même des communications interstellaires dans un futur lointain.
Entreprise de neutrinos
Neutrino Energy
Bien que riche en applications potentielles futures, la science des neutrinos semble loin d’être régulièrement utilisée à des fins commerciales. Cela pourrait changer grâce à une start‑up privée allemande très ambitieuse, Neutrino Energy.
L’entreprise explore le concept très novateur de neutrinovoltaïque, ou la génération d’électricité à partir du flux constant de neutrinos qui nous entoure. Le principe repose sur l’utilisation d’une couche de graphène, un matériau 2D fait de carbone (suivez le lien pour une explication complète du matériau 2D comme le graphène ou le goldene).
Cette méthode convertirait le mouvement thermique (brownien) des atomes de graphène en électricité utilisable, produisant essentiellement de l’énergie à partir de rien. Un phénomène similaire se produit avec le graphène, les neutrinos « poussant » les noyaux atomiques, comme avec les atomes d’argon dans le détecteur de neutrinos de DUNE.
L’entreprise a annoncé son premier prototype à venir, appelé le Powercube, censé démontrer la technologie, développée avec l’aide de l’IA.
L’entreprise travaille également avec le Centre for Materials for Electronics Technology (CMET) en Inde, visant « à créer un véhicule électrique auto‑rechargeable alimenté par la technologie neutrinovoltaïque ».
Il est difficile d’évaluer à quel point le concept est proche d’une commercialisation, car il semble pour l’instant n’être qu’un concept avec peu d’informations sur la puissance potentielle ou l’économie. Mais c’est définitivement la société la plus proche d’une « entreprise de neutrinos » actuellement sur le marché.
