L’Observatoire de neutrinos de Sudbury

L’histoire de l’Observatoire de neutrinos de Sudbury

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1) Capter des particules quasi insaisissables provenant du Soleil

Profondément enfoui dans une mine du nord de l’Ontario, cet observatoire sert à compter les neutrinos, ces très petites particules élémentaires émises en grande quantité par le Soleil. En ce moment même, des milliards d’entre elles traversent l’ongle de votre pouce! Minuscules et imperceptibles, ces neutrinos ont moins d’une chance sur un trillion d’être arrêtés par la masse entière de notre planète.

Cependant, à l’aide d’un « piège » à neutrinos contenant 1000 tonnes d’eau lourde, l’ONS réussit à détecter quelques neutrinos solaires par jour.

Fort réussie, cette expérience nous a permis de percer un mystère
vieux de plusieurs décennies touchant l’activité intérieure du Soleil.

Vue aérienne de la mine Creighton, de Inco. Les installations extérieures de l’Observatoire de neutrinos de Sudbury (ONS) se trouvent à proximité, mais le détecteur est situé à deux kilomètres sous terre.

Illustration : Profile de la mine Creighton

Illustration : Dessin du détecteur

2) À quoi sert l’Observatoire de neutrinos de Sudbury ?

A) À l’étude des taches et des éruptions solaires ?

B) Au dénombrement des particules quasi insaisissables provenant des profondeurs du Soleil ?

C) À l’étude de la structure atomique des matières radioactives ?

Réponse :

B) Au dénombrement des particules quasi insaisissables provenant des profondeurs du Soleil.

3) Pourquoi nous avons réalisé l’expérience

L’histoire des neutrinos

En 1930, Wolfgang Pauli, cherchant à résoudre une énigme de physique concernant la disparition de l’énergie, a annoncé l’existence d’une particule invisible: le « neutrino ». Dès les années 1960, les physiciens ont pu estimer, à l’aide d’ordinateurs, le nombre de neutrinos susceptibles d’être produits par le système énergétique du Soleil. La mesure de ces particules demeurait cependant très difficile, car les neutrinos passent au travers de la Terre et interagissent rarement avec un atome simple.

« Aujourd’hui, j’ai fait ce qu’un théoricien ne devrait jamais faire; j’ai proposé l’existence d’une particule qu’on ne peut déceler. »
— Wolfgang Pauli (1932)

Wolfgang Pauli, 1900-1958
En 1930, Wolfgang Pauli est le premier à proposer l’existence des neutrinos, et ce, pour résoudre un problème en physique nucléaire. Les neutrinos étant presque insaisissables, il faudra attendre 26 ans avant d’en détecter.

4) Les rayons du Soleil

Relativité restreinte et E=mc2
(L’énergie égale la masse multipliée par la vitesse de la lumière au carré)

Connexion avec Einstein

En 1905, alors qu’il réfléchissait à la façon dont les lois de la physique régissant la lumière et le mouvement changeraient à haute vitesse, Einstein est arrivé à une conclusion surprenante : la matière et l’énergie doivent forcément présenter des
aspects différents de la même chose !

Dans les profondeurs du centre du Soleil, quatre atomes d’hydrogène fusionnent en un seul atome d’hélium, qui lui est plus léger que les quatre atomes d’hydrogène combinés. La masse supplémentaire est convertie en énergie et éventuellement émise dans l’espace sous forme de rayons de lumière.

L’activité à la surface du Soleil nous donne un indice de ce qui se passe dans son noyau. Les neutrinos nous offrent un lien direct avec la « centrale » nucléaire du Soleil, et un moyen de vérifier les théories avancées sur les réactions qui chauffent cet astre – et nous chauffent ici sur Terre.

Quand l’hydrogène fusionne et devient de l’hélium, cette réaction dégage de l’énergie et de minuscules neutrinos. Les scientifiques croyaient à l’origine qu’environ 5,1 millions de neutrinos solaires à haute énergie traversaient chaque centimètre carré de la Terre à chaque seconde.

5) Les neutrinos solaires manquants

Un mystère de vieille date

En 1968, lorsque le scientifique Raymond Davis fils a commencé
à compter les neutrinos solaires, il n’a trouvé que le tiers du nombre espéré.

Cela signifiait-il que les scientifiques connaissaient mal le Soleil?
Ou encore, que Davis avait commis une erreur?

Ce problème a intrigué les physiciens pendant plus de trente ans.

Raymond Davis fils, 1999

En 1968, Raymond Davis a été le premier à parvenir à détecter des neutrinos provenant du Soleil. Pour ce faire, il a utilisé ce réservoir de 6 mètres (20 pieds) de diamètre et 15 mètres (48 pieds) de longueur situé dans la mine de Homestake, dans le Dakota du Sud. Le réservoir contenait 400 000 litres (100 000 gallons) de liquide pour le nettoyage à sec (perchloroéthylène).

6) Des neutrinos « napolitains »

Chocolat, fraise ou vanille

Depuis les années 1970, les scientifiques sont convaincus qu’il existe trois types ou « saveurs » de neutrinos: électron-neutrino, muon-neutrino et tau-neutrino. Ils soupçonnent également que les neutrinos peuvent passer d’un type à un autre. Le Soleil ne produit que des électrons-neutrinos, ou neutrinos « à la vanille ».

L’expérience de Davis visait à détecter ces neutrinos à la vanille. Le fait d’avoir capté moins de neutrinos que prévu signifie-t-il que les neutrinos changent de saveur entre le Soleil et la Terre? Les neutrinos à saveur de chocolat et de fraise seraient-ils indétectables?

7) Comment nous avons effectué l’expérience

Les intrus cosmiques

Un bouclier de roc solide

Des particules provenant du cosmos, appelées rayons cosmiques, bombardent sans cesse la Terre, inondant les neutrinos.

Voilà pourquoi le détecteur de l’ONS a été construit dans une mine, à deux kilomètres sous terre. Le bouclier rocheux réduit le plus possible l’accès des rayons cosmiques.

Par contre, ce bouclier protecteur n’a aucun effet sur les neutrinos; ces derniers atteignent l’ONS en nombre presque égal, le jour ou la nuit, puisqu’ils passent au travers de la Terre.

8) Dresser le piège

L’ONS capte des neutrinos dans l’eau lourde

Le secret de la réussite de l’ONS se cache dans l’utilisation d’eau lourde, qui contient un neutron additionnel dans chaque noyau d’hydrogène. Chacune des trois saveurs de neutrino peut rompre le noyau, laissant s’échapper le proton et le neutron. Cependant,
seul le neutrino-électron, soit le neutrino « à la vanille », peut transformer ce neutron en un proton et électron. Et le détecteur de l’ONS permet de faire la différence entre ces deux réactions.

Voilà comment l’ONS peut distinguer les neutrinos
à la vanille de ceux aux deux autres saveurs.

L’électron-neutrino entre en collision avec un noyau d’hydrogène lourd, contenant un neutron et un proton, libérant ainsi deux protons et un électron. L’électron provoque un petit éclair de lumière de forme conique.

9) L’eau lourde

Dans la molécule d’eau lourde, observez le neutron dans le noyau d’hydrogène lourd (deutérium).

Pourquoi construire cet observatoire au Canada ?

Photo : Inco

Dans le Bouclier canadien, à Sudbury plus précisément, nous avons déjà une mine profonde, la mine Creighton, de Inco. Si la production de nickel constitue la fonction première de cette mine, c’est la détection de neutrinos qui l’a rendue célèbre dans le monde entier.

Photo : CANDU

Grâce à la technologie utilisée pour le réacteur à eau lourde CANDU et l’expertise que nous avons acquise dans ce domaine, l’ONS a accès à des quantités abondantes d’eau lourde pour mener son expérience.

Nous pouvons compter sur des scientifiques qualifiés, et nous bénéficions d’institutions qui appuient la recherche fondamentale.

Walter Davidson (à gauche), docteur en physique, Conseil national de recherches, et l’un des membres fondateurs du projet, ainsi que John MacDougall, ancien député de Temiskaming, et l’un des premiers défenseurs de l’ONS

Arthur McDonald, docteur en physique, Université Queen’s, directeur de l’Institut de l’ONS

Doug Hallman, docteur en physique, Université Laurentienne, directeur des communications à l’ONS

David Sinclair, docteur en physique, Université Carleton, directeur adjoint de l’ONS

10) La grande embuscade

Se cacher, épier et attendre

Pour capter les neutrinos solaires, on a construit un piège contenant une énorme quantité d’eau lourde dans une cavité souterraine, dont la hauteur serait celle d’un immeuble de dix étages. Cette eau lourde a été suspendue dans une gigantesque sphère transparente afin de permettre à des « yeux » électroniques, appelés tubes photomultiplicateurs, d’observer toute trace de lumière.

Les matériaux servant à la construction du détecteur et l’emplacement même de celui-ci ont été purifiés selon de nouvelles normes. Le laboratoire a ensuite été scellé, et alors a commencé l’attente de l’événement le plus improbable dans la nature: l’interaction d’un neutrino.

Un neutrino solaire est « capté » lorsqu’il heurte une molécule d’eau lourde. Il se produit alors un petit éclair de lumière qui est détecté par les tubes photosensibles. Une telle collision se produit une fois toutes les deux heures environ.

11) Architecture souterraine

Excavation extrême

« Pendant plus de trois ans, nous, les mineurs, avons travaillé dans la partie la plus profonde de la mine Creighton. Nous avons dynamité, pelleté, puis retiré plus de 60 000 tonnes de roche afin de creuser la cavité qui abrite aujourd’hui le laboratoire neutrino.

Inco a élaboré une technologie d’excavation de pointe pour nous aider à accomplir notre travail. Après tout, nous creusions la plus grande cavité au monde située à cette profondeur! »

L’excavation de la cavité, à deux kilomètres (1,2 milles) sous la surface de la Terre, a nécessité une technologie de pointe.

12) Propre comme un sou neuf

Afin d’éviter la contamination durant cette expérience des plus délicates, non seulement exige-t-on des visiteurs qu’ils prennent une douche avant d’entrer dans l’Observatoire, mais on purifie aussi à des degrés inégalés l’eau ordinaire et l’eau lourde utilisées dans l’ONS. Le système de purification d’eau a été conçu par les physiciens de l’Université Carleton et construit par Sepratech, à Ottawa.

13) Un flotteur rempli d’eau

Une gigantesque spère

Le plus gros réservoir en acrylique au monde contient de l’eau lourde. Mesurant 12 mètres (39 pieds) de diamètre, cette sphère ne pouvait être descendue par le puits d’extraction de la mine. Les 125 panneaux préfabriqués ont donc dû être assemblés dans les profondeurs de la mine.

Des câbles tiennent la sphère en place, mais ils n’ont pas à soutenir tout le poids. Comme une immense baleine, le réservoir flotte dans un bain d’eau ordinaire, qui remplit la cavité.

On procède ici à l’inspection du réservoir en acrylique, servant à contenir l’eau lourde essentielle à l’expérience.

Le réservoir en acrylique est suspendu par des câbles métalliques enfilés dans des conduits fixés à la sphère. La tension de ces fils métalliques est surveillée continuellement et est ajustée automatiquement.

14) Voir la lumière

Garder un œil sur l’eau lourde

Les interactions des neutrinos dans l’eau lourde libèrent un électron qui se déplace si rapidement qu’il engendre un déploiement d’un cône lumineux semblable à celui du bang supersonique. Un dispositif appelé tube photomultiplicateur peut transformer cette lumière en un courant électrique.

Presque dix mille tubes photomultiplicateurs entourent le réservoir d’eau lourde à la recherche de ce petit éclair de lumière qui signale qu’un neutrino a été capté.

15) L’effet photoélectrique

Un pas de géant

Illustration Einstein

Connexion avec Einstein

Depuis plus d’un siècle, on sait que certains métaux émettent des électrons quand la lumière se reflète sur eux : plus la lumière brille, plus grand est le nombre d’électrons. Einstein a expliqué ce phénomène en représentant la lumière comme un rayon de particules, ou photons.

La conclusion d’Einstein appuyait la définition de la mécanique quantique. Cette théorie décrit les positions et les énergies sur de très faibles distances, où les événements sont déterminés par le hasard. Ironie du sort, Einstein est devenu un adversaire de cette théorie en déclarant que « Dieu ne joue pas aux dés avec l’Univers ».

Illustration : L’effet photoélectrique

16) Contrôle 1, 2, 3...

Au fur et à mesure qu’il se déplace dans le réservoir d’eau lourde, le dispositif de calibration au laser, ou balle à diffusion, émet un minuscule faisceau de lumière que tous les tubes photomultiplicateurs (TPM) enregistrent. Cet exercice aide les scientifiques à comprendre la transparence à la fois de l’eau lourde et du réservoir en acrylique. La balle à diffusion a été mise au point par des membres du Département de physique de l’Université Queen’s, à Kingston, en Ontario.

Peter Skensved, docteur en physique, de l’Université Århus, au Danemark, et un collaborateur de l’Université Queen’s, se prépare à calibrer les TPM (août 2000).

17) Touché !

Reconnaître un neutrino

Le cône lumineux déclenché par l’interaction de neutrinos est capté par un anneau de tubes photomultiplicateurs. Ceux-ci transmettent alors un signal à des banques informatiques qui numérisent et traitent l’information.

À l’aide de logiciels, les chercheurs décident si le captif est vraiment un neutrino. Après analyse approfondie, on détermine le nombre de neutrinos à la vanille et le nombre des autres neutrinos.

Dans la salle de contrôle du détecteur de l’ONS, les opérateurs surveillent l’acquisition de données et les systèmes électroniques tous les jours, 24 heures sur 24.

Maints contrôles électroniques spécialement conçus pour les besoins surveillent les quelque 10 000 TPM. Ils transmettent les données enregistrées par les TPM sur les « événements » produits dans l’eau lourde, y compris les codes horaires précis, à l’ordinateur qui, lui, émet un signal sonore chaque fois qu’on estime avoir capté un neutrino.

18) Qu’avons-nous découvert ?

La transformation

Ça y est !

L’ONS a compté exactement le même nombre de neutrinos solaires qui ont atteint la Terre que ce qui avait été prédit, confirmant ainsi que le modèle de fusion nucléaire du Soleil est juste.

Par contre, seul le tiers des neutrinos solaires captés par l’ONS appartenaient à la catégorie des électron-neutrinos. Nous savons que le Soleil émet seulement cette catégorie de neutrinos. Cela signifie donc que les deux autres tiers se sont transformés, ou ont changé de saveur, en cours de route.

Quant aux neutrinos solaires manquants dont il a été question précédemment, il est peu étonnant que Davis, en 1968, n’ait pu les dénombrer puisque celui-ci était en mesure de détecter seulement les électrons-neutrinos !

19) C’est réussi !

Nous avons trouvé les neutrinos manquants ! Après tout, nous avions bien compris le fonctionnement des rayons du Soleil !

Selon les résultats enregistrés depuis 1968, les scientifiques n’ont détecté que le tiers des neutrinos qu’ils s’attendaient à trouver.

Dès 2002 par contre, grâce à l’ONS, ils étaient en mesure de repérer les trois saveurs de cette particule quasi insaisissable. Cette fois-ci, ils ont réussi à capter 5,1 millions de neutrinos à haute énergie par centimètre carré toutes les secondes, soit le nombre qu’ils s’attendaient à repérer initialement.

20) Qu’est-ce que cela signifie ?

La contribution des neutrinos

Bien avant l’existence de l’ONS, on savait que la masse d’un neutrino devait être extrêmement petite. De nombreux physiciens ont cru qu’il avait une masse nulle. Pour changer de saveur, un neutrino doit cependant avoir une masse, si petite soit-elle.

Cette masse est minuscule – de beaucoup inférieure à celle d’un électron. Mais les neutrinos sont si nombreux que leur masse totale dans l’Univers est aussi considérable que celle de toutes les étoiles visibles réunies !

Cette photo prise par le télescope spatial Hubble est parsemée de lointaines étoiles et galaxies.

De nombreux collaborateurs de l’ONS se sont réunis en février 2004 pour discuter des résultats obtenus et des progrès accomplis à l’ONS.

Les établissements suivants participent actuellement aux travaux de l’ONS :

• Université Queen’s (Ontario, Canada) Université Carleton (Ontario, Canada)
• Université de Guelph (Ontario, Canada)
• Université Laurentienne (Ontario, Canada)
• Université de la Colombie-Britannique (Canada)
• Université de Pennsylvanie (É.-U.)
• Los Alamos National Laboratory (Nouveau-Mexique, É.-U.)
• Lawrence Berkeley National Laboratory (Californie, É.-U.)
• Université de Washington (É.-U.)
• Université d’Oxford (R.-U.)
• Brookhaven National Laboratory (New York, É.-U.)
• Université du Texas à Austin (É.-U.)

Les organismes suivants appuient l’ONS, et lui procurent soutien financier, matériel et installations :

• Fondation canadienne pour l’innovation
• Conseil national de recherches du Canada
• Énergie atomique du Canada
• Inco Limitée

21) Les neutrinos et le Cosmos

La relativité générale d’Einstein

Connexion avec Einstein

En 1916, Einstein avait déjà élargi sa théorie de la relativité et démontré que la force de gravité n’était que la distorsion de l’espace et du temps par un objet massif.

La cosmologie moderne repose sur les équations de relativité générale. Selon des théories ultérieures, basées sur ces équations mathématiques, l’Univers aurait commencé par un big-bang et continuerait à s’étendre.

Einstein aurait certes été intéressé par les résultats de l’ONS. La masse de neutrinos détermine en partie si l’Univers s’étendra éternellement ou s’il s’effondrera éventuellement dans un big crunch.

22) Que faire maintenant ?

Photo SNOLAB

SNOLAB deviendra le nouveau site permanent au Canada où seront effectuées des expériences ultra-propres dans un environnement à faible fond de radiation. Les collaborateurs de partout dans le monde souhaitent vivement obtenir une place à SNOLAB, situé dans les profondeurs d’une mine à Sudbury.

Situé dans les profondeurs de la mine Creighton, SNOLAB, y compris la salle de l’ONS, doit ouvrir en 2007.

23) Pas de coucher de soleil à l’ONS

La recherche de matière noire

Les galaxies, formées d’étoiles, de poussières et de gaz, tournent à très grande vitesse. Même si les astronomes additionnent toute la masse qu’ils peuvent voir et y ajoute la masse des neutrinos, cela ne suffit pas encore à empêcher les galaxies de s’éloigner les unes des autres. Ou bien la théorie d’Einstein sur la force de gravité est fausse, ou bien il existe une matière invisible.

Cette matière invisible a pris le nom de matière noire. Une expérience appelée PICASSO permettra de chercher la matière noire dans le nouveau SNOLAB.

En dépit de toute la masse visible que représentent les milliards de milliards de galaxies que nous pouvons voir, et de la masse des neutrinos confirmés par l’ONS, nous pouvons expliquer seulement 20% de la masse de l’Univers.

24) Exploration et découverte

Pourquoi s’y intéresser ?

Pendant plus d’un siècle au Canada – depuis que Rutherford a le premier étudié la désintégration radioactive à l’Université McGill – des physiciens qui étudient les particules percent des mystères fondamentaux.

Des innovations, comme la radiothérapie pour traiter le cancer ou le World Wide Web, qui font maintenant partie du quotidien, découlent de leurs découvertes scientifiques. Mais ce n’est pas là l’objectif premier des chercheurs.

Les scientifiques, comme les enfants, sont motivés par leur curiosité. En fin de compte, le résultat de cette curiosité n’est pas toujours un bienfait matériel, mais plutôt une meilleure appréciation des merveilles de notre existence.

Portrait d’Ernest Rutherford réalisé par R. G. Matthews (1907); reproduit avec la permission du Rutherford Museum, Université McGill

25) Une recette gagnante

Le Canada sur la scène mondiale

L’ONS a permis de trouver une solution à un problème qui avait intrigué des chercheurs pendant plus de trente ans.

Les articles scientifiques portant sur les résultats de l’ONS figurent parmi les textes les plus souvent cités dans le domaine de la physique. En 2002, le travail de l’ONS a été reconnu par l’American Institute of Physics et l’Association for the Advancement of Science comme l’activité la plus importante de la physique.

Les résultats de l’ONS et ceux d’autres expériences menées au sujet des neutrinos, comme celle de Super-Kamiokandeau Japon, secouent le monde scientifique. À votre avis, ces découvertes ne méritent-elles pas un Prix Nobel?

Photo Prix Nobel

Hôtel de ville de Stockholm

26) Hommages rendus aux membres de l’équipe de l’ONS

Canada

• Alain Bellerive, Université Carleton
  Chaire de recherche du Canada, 2001
• Walter Davidson, Conseil national de recherches Canada
  Membre, Société royale du Canada, 2003
• George Ewan, Université Queen’s
  D.Sc, honoris causa, Université de Guelph, 2001
  D.Sc, honoris causa, Université Laurentienne, 2002
• Arthur McDonald, Université Queen’s (gestionnaire de projet à l’ONS)
  LL.D., honoris causa, Université Dalhousie, 1997
  Membre, Société royale du Canada, 1997
  Bourse de recherche Killam, 1998
  LL.D., honoris causa, Collège universitaire de Cap Breton, 1999
  D.Sc., honoris causa, Collège militaire royal du Canada, 2001
  Chaire de recherche de l’Université Queen’s, 2002
  Prix T.W. Bonner en physique nucléaire de l’American Physical Society, 2003
  Médaille de l’Association canadienne des physiciens et physiciennes pour contributions exceptionnelles de carrière à la physique, 2003
  Prix d’excellence du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, 2003
  Médaille d’or Gerhard-Herzberg du Canada en sciences et en génie, 2003
  Conférencier R.-U.-Canada Rutherford de la Royal Society, 2003
  Prix Bruno Pontecorvo, 2005
• Tony Noble, Université Queen’s (directeur de l’Institut de l’ONS)
  Chaire de recherche du Canada, 2002
• Scott Oser, Université de la Colombie-Britannique
  Chaire de recherche du Canada, 2003
• David Sinclair, Université Carleton
  (directeur adjoint de l’ONS jusqu’en 2002, directeur du SNOLAB)
  Conférencier en recherche Davidson Dunton, 2002
  Prix de distinction honorifique en recherche Carleton, 2002
  Membre, Société royale du Canada, 2003

Observatoire de neutrinos de Sudbury Prix pour réalisations techniques exceptionnelles en génie et en gestion de projet de l’Ontario Association of Certified Engineering Technicians and Technologists, 1995

États-unis

• Mark Boulay, Los Alamos National Laboratory
  Bourse de perfectionnement post doctorale du Los Alamos National Laboratory, 2004
• Richard L. Hahn, Brookhaven National Laboratory
  Prix national en chimie nucléaire de l’American Chemical Society, 2000
  Prix de recherche et de développement du Brookhaven National Laboratory, 1997
• Karsten Heeger, University of Washington
  Prix de dissertation en physique nucléaire de l’American Physical Society, 2003
  Poste de chargé de cours Michelson à la Case Western Reserve University, 2004
• Andrew Hime, Los Alamos National Laboratory
  Membre, American Physical Society, 2004
• Josh Klein, University of Texas
  Poste de chargé de cours Sambamurti du Brookhaven National Laboratory, 2004
  Prix d’excellence au chercheur débutant décerné par le U.S. Department of Energy, 2004
• Kevin Lesko, Lawrence Berkeley National Laboratory
  Membre, American Physical Society, 2000
• Hamish Robertson, University of Washington
  Prix T.W. Bonner en physique nucléaire de l’American Physical Society, 1997
  Membre, American Academy of Arts and Sciences, 2003

Royaume-uni

• David Wark, Rutherford Appleton Laboratory et Oxford University
  Prix Rutherford, 2004