Dans une mine d'or abandonnée près de Deadwood, Dakota du Sud, la construction de ce qui est sans doute la plus grande expérience scientifique au monde a commencé. Je fais partie d'une équipe internationale d'environ 1, 000 scientifiques se sont réunis pour concevoir et exécuter ce projet - l'expérience Deep Underground Neutrino (DUNE) - afin d'étudier la particule de matière la plus abondante et la plus insaisissable de l'univers.

Ce faisant, nous pouvons faire un pas de plus vers la compréhension des origines de la matière et l'achèvement du modèle scientifique du fonctionnement de l'univers. C'est pourquoi le gouvernement britannique a engagé 65 millions de livres sterling dans le projet, faisant du Royaume-Uni le deuxième contributeur au projet après les États-Unis.

Les physiciens des particules comme moi sont fascinés par les neutrinos en raison de leurs propriétés inhabituelles, qui peuvent être directement liés à des phénomènes qui pourraient expliquer la structure de l'univers. Les neutrinos sont l'une des particules fondamentales qui ne peuvent être décomposées en quoi que ce soit d'autre. Ils sont partout mais sont extrêmement difficiles à attraper car ils n'ont presque pas de masse, ne sont pas chargées et interagissent rarement avec d'autres particules.

Environ 100 milliards d'entre eux parcourent nos doigts chaque seconde mais presque tous traversent la Terre sans laisser de trace. La plupart de ces neutrinos proviennent de réactions nucléaires alimentant le soleil. Les neutrinos proviennent également des rayons cosmiques qui frappent l'atmosphère, ou des étoiles qui explosent. Ils ont également été abondamment produits juste après la naissance de l'univers.

C'est-à-dire en étudiant les neutrinos et en les comparant à leurs homologues « antineutrinos », nous pourrions peut-être comprendre ce qui s'est passé au début de l'univers, ce qui signifie qu'il serait principalement composé de matière et non d'antimatière. Les expériences conçues pour détecter les neutrinos pourraient également nous aider à découvrir si les protons se désintègrent, un élément de preuve clé pour prouver les idées de certains scientifiques sur la façon dont la plupart des forces de la physique peuvent toutes être expliquées à l'aide d'une « grande théorie unifiée ».

Pour faire ça, DUNE tirera des faisceaux de neutrinos du Fermi National Accelerator Laboratory dans l'Illinois, NOUS, le long d'un 1, Trajectoire souterraine de 300 km jusqu'à l'installation de recherche souterraine de Sanford dans le Dakota du Sud. Par comparaison, l'accélérateur de particules circulaire Large Hadron Collider utilisé pour trouver le boson de Higgs n'a que 27 km de circonférence, bien que les particules de DUNE voyageront à travers le sol plutôt que dans un tunnel spécialement construit.

Détecter les neutrinos

Les neutrinos se présentent sous trois types ou « saveurs » comme on les appelle :les neutrinos électroniques, neutrinos muoniques, et les neutrinos tau. Les neutrinos quittant le Fermilab seront majoritairement de saveur muon, mais ils pourraient changer ou "osciller" pendant qu'ils voyagent. C'est la détection de ces oscillations qui apportera des réponses définitives aux questions sur la nature du neutrino et son rôle dans l'univers.

Les neutrinos peuvent être détectés en enregistrant la lumière, charge et le type de particules qu'ils produisent lorsqu'ils entrent en contact avec certains liquides. Quand chaque neutrino arrive, il va créer une particule qui correspond à sa saveur. Un neutrino électronique, par exemple, produira un électron tandis qu'un muon-neutrino produira un muon. Si nous pouvons détecter des électrons, nous savons que les neutrinos de muons ont changé de saveur au cours de leur voyage.

DUNE utilisera quatre grands réservoirs, contenant chacun 10, 000 tonnes d'argon liquide maintenu à une température de -186℃, pour détecter les neutrinos avec une précision beaucoup plus grande que les expériences précédentes qui étaient plus petites ou utilisaient des réservoirs pleins d'eau. L'expérience doit avoir lieu à environ un mile sous terre pour empêcher les détecteurs d'être submergés par de faux signaux de neutrinos provenant du rayonnement cosmique qui bombarde la Terre.

L'énorme sensibilité produite par l'utilisation de cette méthode aidera également à détecter les sursauts de neutrinos depuis l'espace. Par exemple, en 1987, l'explosion d'une étoile proche (supernova) a permis à tous les détecteurs de neutrinos du monde d'enregistrer 25 événements de neutrinos au total. DUNE serait capable d'observer des milliers de diffusions de neutrinos en une dizaine de secondes pour une supernova similaire. L'analyse de la composition et de la structure temporelle d'une telle impulsion de neutrinos révolutionnerait notre compréhension des supernovae et des propriétés des neutrinos.

Résoudre le mystère de l'antimatière

Tout cela devrait nous aider à répondre à plusieurs questions clés sur les neutrinos, par exemple sur leur masse. Les neutrinos sont si petits que leur masse n'est probablement pas créée par le boson de Higgs, récemment découvert par le Grand collisionneur de hadrons, de la même manière que la plupart des autres particules élémentaires. Au lieu, leur masse peut provenir de neutrinos partenaires très lourds qui se désintègrent très rapidement après formation.

Ces neutrinos partenaires auraient joué un rôle clé dans l'évolution précoce de l'univers et pourraient également aider à expliquer pourquoi il y a tellement plus de matière que d'antimatière dans l'univers. DUNE nous aidera également à déterminer si les neutrinos et leur équivalent antimatière, anti-neutrinos, se comporter de manière identique, fournir une preuve supplémentaire de la domination de la matière.

Étant donné que les grandes quantités d'argon dans le détecteur contiennent de nombreux protons, DUNE est également une expérience idéale pour rechercher la désintégration du proton. Dans notre "modèle standard" actuel de physique qui décrit toutes les particules fondamentales, il est impossible que les protons se désintègrent. Mais bon nombre des grandes théories unifiées que les scientifiques élaborent pour expliquer toutes les forces de l'univers (à l'exception de la gravité) prédisent que les protons se désintègrent, juste très lentement.

Jusqu'à présent, nous n'avons aucune preuve de la désintégration du proton, mais, si cela se produit, alors DUNE devrait être capable de le détecter et de le localiser dans l'argon liquide avec une précision millimétrique. Cela pourrait aider à prouver si l'une des grandes théories unifiées est correcte, et encore pourrait fournir plus d'indices sur la domination de la matière sur l'antimatière.

Le nouveau financement, grâce aux efforts conjugués de scientifiques du monde entier, nous mettra sur la bonne voie pour enregistrer les premiers événements de DUNE en 2024. Cela signifie que dans la prochaine décennie, nous aurions pu résoudre certains des plus grands mystères de l'univers.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.