À l'intérieur de Super-Kamiokande. L'observatoire est bordé de 13, 000 tubes photomultiplicateurs qui amplifient de faibles éclairs lumineux. Crédit :Observatoire Kamioka, ICRR (Institut de recherche sur les rayons cosmiques), L'Université de Tokyo
L'observatoire de neutrinos de Super-Kamiokande peut détecter différents types de phénomènes liés aux neutrinos, y compris les explosions de supernova dans notre propre galaxie. Il est normalement plein d'eau pure, mais il a récemment reçu une dose de l'élément de terre rare gadolinium. Cela donnera à l'observatoire la capacité de voir également des explosions de supernova dans des galaxies plus éloignées.
Enfoui à 1 kilomètre sous terre près de la ville de Hida, dans le centre du Japon, se trouve un énorme cylindre de 40 mètres de haut et rempli de 50 millions de litres d'eau. C'est l'observatoire de neutrinos de Super-Kamiokande, et depuis 1996, il observe les neutrinos, particules subatomiques, du solaire, extrasolaire, sources terrestres et artificielles. Il détecte ces particules avec des capteurs optiques très sensibles qui enregistrent de minuscules éclairs de lumière qui se produisent lorsqu'un neutrino interagit avec une molécule d'eau.
Les capteurs doivent être très sensibles car les événements neutrinos sont difficiles à enregistrer. Les neutrinos ont une masse si faible qu'ils traversent la plupart du temps la matière ordinaire comme si elle n'était pas là, n'interagissant que rarement. En construisant l'observatoire profondément sous terre, il aide à bloquer d'autres types de particules et de rayonnements mais permet aux neutrinos d'entrer dans la chambre, un peu comme un filtre. Les caractéristiques spécifiques des éclairs lumineux renseignent les chercheurs sur le type de neutrinos qu'ils viennent de détecter, car il existe plusieurs types différents liés à divers phénomènes qui les créent.
Des reliques du passé. Les supernovae se produisent constamment mais sont si éloignées les unes des autres que les neutrinos qui en résultent deviennent très diffus. Crédit :Observatoire Kamioka, ICRR (Institut de recherche sur les rayons cosmiques), L'Université de Tokyo
Les interactions neutrino émettent des positons et des neutrons, les neutrons frappent le gadolinium qui émet alors des rayons gamma. Crédit :Observatoire Kamioka, ICRR (Institut de recherche sur les rayons cosmiques), L'Université de Tokyo
Les chercheurs sont particulièrement attentifs aux neutrinos anti-électrons car ils peuvent nous dire un nombre surprenant de choses sur notre univers. Bien qu'une supernova dans notre propre galaxie ait déjà été détectée, ils ne surviennent que rarement, plusieurs décennies d'intervalle. Les chercheurs regardent donc plus loin les supernovae qui se sont produites il y a des milliards d'années dans des galaxies lointaines, mais il y a un hic.
Les signaux des neutrinos de ces supernovas distantes sont très faibles et difficiles à distinguer du bruit de fond. Les flashs révélateurs qui signifient un événement de supernova ont besoin d'un coup de pouce pour aider les chercheurs à extraire le signal. La solution consiste à ajouter une impureté à l'eau qui crée des éclairs lumineux en réponse aux neutrons causés par les interactions neutrinos antiélectrons, mais n'affecte pas autrement les observations à Super-Kamiokande.
Les chercheurs ont mélangé plusieurs tonnes de gadolinium, un élément des terres rares, dans l'eau autrement pure. Le gadolinium interagit avec des neutrons produits par certaines interactions de neutrinos, et émet un flash gamma facilement détectable. Ces flashs informent indirectement les chercheurs sur les neutrinos qui les ont provoqués. Initialement, 13 tonnes d'un composé de gadolinium ont été ajoutées, donnant une concentration en gadolinium d'environ 0,01 %. Les chercheurs augmenteront cela pour améliorer encore la sensibilité aux événements neutrino.
"Avec une concentration en gadolinium de 0,01%, Super-Kamiokande devrait détecter les neutrons des collisions de neutrinos avec une efficacité de 50%, " a déclaré le professeur Masayuki Nakahata qui supervise ce projet. " Nous prévoyons d'augmenter la concentration dans quelques années pour augmenter l'efficacité. J'espère que nous pourrons observer les neutrinos d'anciennes supernovae d'ici quelques années."
