À la découverte des forces fondamentales de l’Univers - La technologie du vide au service de l’exploration de l’Univers

À la découverte des forces fondamentales de l’Univers - La technologie du vide au service de l’exploration de l’Univers

À plus de 2 100 mètres sous la surface de la Terre, les physiciens de SNOLAB se penchent sur les constituants élémentaires microscopiques et insaisissables de l’Univers que sont les neutrinos.
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Les neutrinos sont des particules élémentaires électriquement neutres, qui se déplacent dans l'espace à une vitesse proche de celle de la lumière. Puisqu'ils sont dépourvus de charge électrique, leur interaction avec la matière est quasiment nulle, ce qui leur permet de la traverser presque librement. Ils peuvent ainsi parcourir de grandes distances et rallier la Terre depuis les galaxies les plus lointaines. En raison de leur caractère insaisissable, ils sont toutefois particulièrement difficiles à observer.

Détection à l'aide de flashs lumineux

Pour capturer ces minuscules particules élémentaires, les chercheurs ont dû s'enfoncer loin sous terre. Le SNOLAB, un laboratoire de physique, a ainsi pris ses quartiers dans une mine de nickel de Sudbury (Ontario), au Canada. Les scientifiques y ont accès à une zone de salle blanche de 5 000 m², tandis qu'une épaisse couche rocheuse de 2 100 m protège le laboratoire contre les rayonnements cosmiques, ne laissant passer que les neutrinos. Le détecteur de neutrinos, une cuve sphérique en acrylique de 12 m de diamètre, constitue le cœur de l'installation.

Pour les expériences actuellement menées sous le nom de « SNO+ », cette cuve est remplie de 800 tonnes métriques d'un liquide spécial constitué d'alkylbenzène linéaire (ABL). Celui-ci a la capacité de réagir aux rayonnements ionisants en émettant des rayons ultraviolets, qui stimulent à leur tour un colorant dissout dans le liquide, fluorescent en bleu. Lors de leur traversée, chaque neutrino passant suffisamment près des noyaux atomiques du liquide pour déclencher une interaction génère de brefs flashs lumineux qui sont détectés par les capteurs ultra-sensibles placés tout autour de la cuve.

Afin de s'assurer que les particules subatomiques sont correctement détectées, l'ABL doit être exempt de toute substance indésirable. C'est là qu'intervient la technologie de vide. À l'aide de pompes à vide, on génère une pression négative de 20 millibars au sein du système de nettoyage. À une température de 238 degrés, même les plus infimes traces de métaux lourds sont éliminées du liquide lors d'un processus de distillation en plusieurs étapes. La vapeur d'eau et l'azote sont ensuite passés dans le liquide par le biais d'une colonne de distillation, à nouveau sous vide, afin de rejeter des gaz spécifiques (le radon, le krypton, l'argon et l'oxygène) et de réguler la teneur en eau du liquide. Des condenseurs placés au niveau des sorties d'air des pompes à vide assurent une récupération fiable des vapeurs. Dans ce cas, les gaz d'échappement issus du processus de nettoyage sont refroidis, liquéfiés et recueillis dans des récipients collecteurs.

Un prix Nobel pour les recherches sur les neutrinos

Dans le cadre des nouvelles expérimentations SNO+, l'ABL remplace l'eau lourde utilisée pour remplir la cuve lors du projet SNO initial. Ces premières recherches ont valu à leur instigateur, Arthur McDonald, de se voir décerner le prix Nobel de physique en 2015. De 1999 à 2006, il a utilisé l'eau lourde pour étudier les neutrinos solaires produits par fusion nucléaire. Cependant, les résultats n'ont pas permis de corroborer les prédictions du modèle standard de la physique des particules, qui attribuait aux neutrinos une masse nulle.

Au lieu de cela, les différences mises à jour ont trouvé leur explication dans la théorie alternative de l'oscillation des neutrinos, selon laquelle ces particules élémentaires sont capables de passer d'une saveur (il existe trois types de neutrino : électronique, muonique et tauique) à une autre. Cependant, cela n'est possible que s'ils possèdent une masse, aussi infime soit-elle. 

En comparaison avec l'expérience originale impliquant l'eau lourde, l'interaction des neutrinos avec l'ABL produit une quantité de lumière significative. Le principal objectif des nouvelles recherches est d'examiner le processus contesté de double désintégration bêta sans émission de neutrino, tandis que l'ABL liquide peut également être utilisé pour étudier les neutrinos solaires proton-électron-proton (PEP). L'expérience doit également permettre de détecter les géoneutrinos issus de processus de désintégration radioactive au cœur de la Terre, ainsi que les neutrinos de réacteur issus de réactions de fission nucléaire. Il serait également possible de détecter des neutrinos de supernova, sous réserve qu'une supernova se produise dans notre galaxie. Grâce à ces mesures, les chercheurs de SNOLAB espèrent en apprendre davantage sur les forces fondamentales de l'Univers.

SNOLAB utilise la technologie de vide Busch depuis 2012.


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