Caché à 1 km de profondeur sous le mont Ikeno, dans la mine de zinc de Kamioka, à 290 km au nord de Tokyo (Japon), il y a un endroit dont tout supervillain d'un film ou d'une histoire de super-héros rêverait comme son repaire. Voici le "Super-Kamiokande" (ou "Super-K") - un détecteur de neutrinos. Les neutrinos sont des particules fondamentales subatomiques qui interagissent très faiblement avec la matière ordinaire. Ils sont capables de pénétrer absolument tout et partout. L'observation de ces particules fondamentales aide les scientifiques à trouver des étoiles qui s'effondrent et à apprendre de nouvelles informations sur notre univers. Business Insider s'est entretenu avec trois employés de la station Super-Kamiokande et a découvert comment tout fonctionne ici et quelles expériences les scientifiques mènent ici.
Plonger dans un monde subatomique
Les neutrinos sont très difficiles à détecter. Si difficile que le célèbre astrophysicien américain et vulgarisateur scientifique Neil DeGrasse Tyson les a autrefois qualifiées de "proies les plus insaisissables de l'espace".
«La matière ne représente aucun obstacle pour les neutrinos. Ces particules subatomiques sont capables de traverser des centaines d'années-lumière de métal sans même ralentir », a déclaré Degrass Tyson.
Mais pourquoi les scientifiques essaient-ils même de les attraper?
«Lorsqu'une explosion de supernova se produit, l'étoile s'effondre sur elle-même et se transforme en trou noir. Si cet événement se produit dans notre galaxie, alors des détecteurs de neutrinos comme le même "Super-K" sont capables de capturer les neutrinos émis dans le cadre de ce processus. Il existe très peu de détecteurs de ce type dans le monde », explique Yoshi Uchida de l'Imperial College de Londres.
Avant que l'étoile ne s'effondre, elle projette des neutrinos dans toutes les directions de l'espace, et des laboratoires comme Super-Kamiokande servent de systèmes d'alerte précoce qui indiquent aux scientifiques dans quelle direction regarder pour voir les tout derniers moments de la vie des étoiles.
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«Les calculs simplifiés disent que les événements d'une explosion de supernova dans le rayon dans lequel nos détecteurs peuvent les détecter, ne se produisent qu'une fois tous les 30 ans. En d'autres termes, si vous en manquez un, vous devrez attendre en moyenne plusieurs décennies avant le prochain événement », explique Uchida.
Le détecteur de neutrinos Super-K ne capte pas seulement les neutrinos qui le frappent directement depuis l'espace. De plus, des neutrinos lui sont transmis depuis l'installation expérimentale T2K située dans la ville de Tokai, à l'opposé du Japon. Le faisceau de neutrinos envoyé doit parcourir environ 295 kilomètres, après quoi il pénètre dans le détecteur Super-Kamiokande situé dans la partie ouest du pays.
L'observation de la façon dont les neutrinos changent (ou oscillent) lors de leur déplacement dans la matière peut en dire plus aux scientifiques sur la nature de l'univers, comme la relation entre la matière et l'antimatière.
«Nos modèles Big Bang suggèrent que la matière et l'antimatière devaient être créées dans des proportions égales», a déclaré Morgan Vasco de l'Imperial College de Londres à Business Insider.
«Cependant, la majeure partie de l'antimatière, pour une raison ou une autre, a disparu. Il y a beaucoup plus de matière ordinaire que d'antimatière."
Les scientifiques pensent que l'étude des neutrinos pourrait être l'un des moyens par lesquels la réponse à cette énigme sera enfin trouvée.
Comment Super Kamiokande attrape les neutrinos
Situé à 1000 mètres sous terre, Super Kamiokande est quelque chose comme ça, la taille d'un immeuble de 15 étages.
Schéma du détecteur de neutrinos Super-Kamiokande.
Un énorme réservoir en acier inoxydable en forme de cylindre est rempli de 50000 tonnes d'eau spécialement purifiée. En passant à travers cette eau, le neutrino se déplace à la vitesse de la lumière.
«Les neutrinos qui pénètrent dans le réservoir produisent de la lumière selon un schéma similaire à la façon dont le Concorde a franchi le mur du son», explique Uchida.
«Si l'avion se déplace très rapidement et brise le mur du son, une onde de choc très puissante se crée derrière lui. De même, les neutrinos traversant l'eau et se déplaçant plus vite que la vitesse de la lumière créent une onde de choc lumineuse », explique le scientifique.
Il y a un peu plus de 11 000 "ampoules" dorées spéciales installées sur les murs, le plafond et le fond du réservoir. Ils sont appelés photomultiplicateurs et sont très sensibles à la lumière. Ce sont eux qui captent ces ondes de choc lumineuses créées par les neutrinos.
Les photomultiplicateurs ressemblent à ceci.
Morgan Vasco les décrit comme des «ampoules arrière». Ces appareils sont si hypersensibles que même avec l'aide d'un quantum de lumière, ils sont capables de générer une impulsion électrique, qui est ensuite traitée par un système électronique spécial.
Ne bois pas d'eau, tu deviendras un enfant
Pour que la lumière des ondes de choc générées par les neutrinos atteigne les capteurs, l'eau du réservoir doit être limpide. Si propre que vous ne pouvez même pas imaginer. Chez Super-Kamiokanda, il passe par un processus constant de nettoyage spécial à plusieurs niveaux. Les scientifiques l'irradient même avec de la lumière ultraviolette pour tuer toutes les bactéries possibles. En conséquence, elle devient telle qu'elle prend déjà l'horreur.
«L'eau ultra-purifiée peut tout dissoudre. L'eau ultra-purifiée est une chose très, très désagréable ici. Il a des propriétés acides et alcalines », explique Uchida.
«Même une goutte de cette eau peut vous causer tellement de problèmes dont vous n'avez jamais rêvé», ajoute Vasco.
Les gens naviguent sur un bateau à l'intérieur du réservoir de Super-Kamiokande.
S'il est nécessaire d'effectuer une maintenance à l'intérieur du réservoir, par exemple pour remplacer des capteurs défectueux, les chercheurs doivent utiliser un bateau en caoutchouc (photo ci-dessus).
Lorsque Matthew Malek était un étudiant diplômé de l'Université de Sheffield, lui et deux autres étudiants ont eu la «chance» d'entreprendre un travail similaire. À la fin de la journée de travail, au moment de monter les escaliers, une télécabine descendante spécialement conçue est tombée en panne. Les physiciens n'avaient pas d'autre choix que de retourner aux bateaux et d'attendre qu'il soit réparé.
«Je n'ai pas tout de suite compris quand j'étais couché sur le dos dans ce bateau et que je parlais aux autres, comment une infime partie de mes cheveux, littéralement pas plus de trois centimètres de long, touchait cette eau», dit Malek.
Alors qu'ils flottaient à l'intérieur du Super-Kamiokande et que les scientifiques à l'étage réparaient la télécabine, Malek ne s'inquiétait de rien. Il s'est inquiété tôt le lendemain matin, réalisant que quelque chose de terrible était arrivé.
«Je me suis réveillé à 3 heures du matin d'une intolérable démangeaison à la tête. C'était probablement la pire démangeaison que j'aie jamais connue de ma vie. Pire que la varicelle, que j'ai eue enfant. C'était tellement terrible que je ne pouvais tout simplement plus dormir », a poursuivi le scientifique.
Malek se rendit compte qu'une goutte d'eau tombée sur le bout de ses cheveux "aspirait" tous les nutriments qu'ils contenaient et que leur carence atteignait son crâne. Il se précipita vers la douche et y passa plus d'une demi-heure à essayer de récupérer ses cheveux.
Une autre histoire a été racontée par Vasco. Il a appris qu'en 2000, pendant la maintenance, le personnel a chassé l'eau du réservoir et a trouvé le contour d'une clé au fond.
«Apparemment, cette clé a été accidentellement laissée par l'un des employés lorsqu'ils ont rempli le réservoir d'eau en 1995. Après avoir fait couler l'eau en 2000, ils ont constaté que la clé s'était dissoute."
«Super-Kamiokande 2.0»
Malgré le fait que Super-Kamiokande est déjà un très grand détecteur de neutrinos, les scientifiques ont proposé de créer une installation encore plus grande appelée Hyper-Kamiokande.
«Si nous obtenons l'approbation pour la construction d'Hyper-Kamiokande, le détecteur sera prêt à fonctionner vers 2026», déclare Vasco.
Selon le concept proposé, le détecteur Hyper-Kamiokande sera 20 fois plus grand que le Super-Kamiokande. Il est prévu d'utiliser environ 99 000 photomultiplicateurs.
Nikolay Khizhnyak