détection de neutrinos par scintillateur

Au-delà de l'orbite de Neptune s'étend un océan d'îles glacées qui n'a presque pas changé depuis quatre milliards d'années. Ces îles, appelées objets transneptuniens, conservent la recette de la naissance des planètes. Jusqu'à récemment, les astronomes ne voyaient que les plus grandes d'entre elles, tandis que les petites, de la taille d'une ville, restaient invisibles.

Personne n'a jamais vu la matière noire, mais elle devrait traverser les détecteurs comme le vent à travers les feuilles. Parfois, très rarement, une particule de matière noire heurte le noyau d'un atome – et le détecteur doit alors capter cette secousse.

17 supernovas de l'échantillon ZTF DR2 se sont allumées en avance sur le calendrier. Dans les premières heures et les premiers jours suivant l'explosion, elles ont émis plus de lumière que ne le prédisent les modèles standard.

Une immense piscine de liquide transparent est cachée profondément sous terre. Il n'y a rien d'autre qu'un « bouillon » d'une pureté extrême qui émet une faible lueur lorsqu'une particule fantôme le traverse. C'est le détecteur JUNO, 20 000 tonnes de scintillateur liquide, construit pour chasser les neutrinos.

Au cœur d'une étoile à neutrons, la matière est si comprimée que les protons et les neutrons familiers laissent place à de nouveaux acteurs. Là naissent les hypérons, des particules qui abritent un quark étrange.

Lorsqu'une étoile massive épuise son carburant, son cœur s'effondre, donnant naissance à une supernova et émettant une pluie pénétrante de neutrinos.

Un cristal de la taille d'une boîte d'allumettes a été placé sous le faisceau d'un accélérateur clinique. La moitié de sa surface a été recouverte d'un motif de nano-aspérités, minuscules, plus petites que la longueur d'onde de la lumière. L'autre moitié est restée lisse. La différence était frappante : la partie recouverte a produit un signal 4,1 fois plus lumineux.

Quelque part dans le bulbe galactique, une étoile massive sommeille, prête à troquer sa combustion paisible contre un effondrement.

Le faisceau d'une lampe de poche traversant un verre dépoli se transforme en une tache floue à chaque millimètre d'épaisseur supplémentaire. C'est à peu près ce qui se passe avec les scintillateurs, ces matériaux qui convertissent les rayons X en lumière visible.

La lumière laisse une trace, même lorsqu'elle est presque absente. Un photon isolé — un minuscule paquet d'énergie — tombe sur une plaquette de silicium et en arrache une poignée d'électrons. Le problème, c'est que cette poignée est trop petite pour être remarquée. Il faut un amplificateur.

En 1987, les astronomes ont observé l'éclat d'une supernova dans une galaxie voisine, le Grand Nuage de Magellan. Ce fut un cadeau rare : l'explosion était assez proche pour capturer non seulement la lumière, mais aussi les neutrinos (des particules quasi insaisissables qui traversent la Terre de part en part).

La croûte d'une étoile à neutrons n'est pas une simple enveloppe solide. Sous un poids de milliards de tonnes par centimètre carré, les atomes perdent leurs électrons, et les noyaux restants s'organisent en un réseau cristallin rigide, semblable à un nid d'abeilles, mais fait d'une matière un trillion de fois plus dense que l'acier.

Au plus profond de la montagne japonaise d'Ikeno se trouve une cuve de cinquante mille tonnes d'eau ultrapure. On y capture des neutrinos — ces particules fantômes qui traversent la Terre de part en part sans presque la remarquer. Lorsqu'une étoile explose dans notre galaxie, les neutrinos arrivent les premiers, des heures avant la lumière.

Une lanterne lointaine brille à travers une vitre irrégulière. La vitre courbe les rayons, et au lieu d'une seule lumière sur le mur, on en voit plusieurs — certaines plus vives, d'autres plus faibles. C'est à peu près ce qui se passe quand une galaxie massive courbe la lumière d'une étoile en explosion. L'explosion était unique, mais sur les images, on distingue quatre points lumineux.

Les neutrinos sont de minuscules particules qui traversent la planète comme la lumière traverse une vitre. Chaque seconde, des milliards de ces particules traversent l'ongle de votre petit doigt, mais en attraper ne serait-ce qu'une est un véritable défi.

À l'intérieur d'un fil de polymère ultrafin se trouvent des cristaux microscopiques, des scintillateurs. Lorsqu'une particule radioactive invisible les frappe, ils s'illuminent brièvement, comme des lucioles. Un capteur sensible capte chaque flash, transformant le fil en détecteur flexible.

L'eau ordinaire dans un verre est transparente et calme. Mais si on y ajoute de minuscules points de carbone, fabriqués à partir de sucre et d'acide citrique dans un micro-ondes classique, l'eau se met à briller lorsqu'une particule chargée la traverse.

Dans une cuve sombre de trente tonnes, l'eau s'illumine lorsqu'une particule fantôme la traverse. Le neutrino interagit à peine avec la matière, mais il lui arrive de heurter un atome, et c'est alors une lueur qui naît. Pour l'attraper, on ajoute à l'eau une substance spéciale — un scintillateur liquide — qui amplifie la lumière.

Dans le futur détecteur de neutrinos, il y aura des millions de minuscules cubes de plastique, chacun de la taille d'un dé à jouer. Ils s'illuminent lorsqu'une particule fantôme les traverse, et cette lueur doit être captée et mesurée. Mais si un cube est tordu, présente une bavure ou un trou mal placé, le signal sera faussé et le détecteur se mettra à mentir.

Une minuscule particule fantôme traverse un morceau de germanium. En général, elle ne laisse aucune trace, mais parfois, telle une boule de billard, elle heurte le noyau d'un atome. Le noyau recule, et cette impulsion peut être détectée. À Oak Ridge, au laboratoire national, le détecteur Ge-Mini a capté de tels reculs pendant deux ans.

Un détecteur de matière noire ressemble à un microphone très sensible qui écoute le silence. Il capte de minuscules secousses thermiques – les phonons – qui se produisent lorsqu'une particule frôle le cristal.

Le nitrure de bore hexagonal en couche mince est un cousin du graphite, mais transparent et isolant. Dans son réseau cristallin, on rencontre parfois des défauts isolés : un atome de bore ou d'azote manque, et à sa place se forme un piège à électrons. Ce piège peut absorber la lumière et la réémettre, comme une minuscule lampe de poche.

Les neutrons ne laissent aucune trace dans le verre ordinaire : ils le traversent comme la lumière à travers une vitre. Mais certains matériaux, lorsqu'ils rencontrent une particule, émettent un faible éclair. C'est le principe du scintillateur : une substance qui convertit un rayonnement invisible en lumière visible.

Un orage gronde au loin, et pourtant le compteur Geiger crépite déjà plus vite. C'est ainsi que les rayons cosmiques — ce flux de particules chargées venues des profondeurs de l'espace — nous rappellent leur présence.

Dans une immense salle sombre, on cherche une seule personne qui n'émet presque aucun son. C'est ainsi que les physiciens traquent les neutrinos stériles — des particules fantômes qui traversent la matière sans laisser presque aucune trace. Au centre d'accélération japonais J-PARC, l'installation JSNS² est en service.

Un morceau de plastique dense de la taille d'une pièce de monnaie s'illumine lorsqu'une particule invisible le traverse. C'est ainsi que fonctionnent les scintillateurs : des matériaux qui convertissent les radiations en une faible lumière. On les fabrique généralement à partir de cristaux fragiles ou de polymères coûteux.

Au cœur d'une étoile mourante, huit fois plus massive que le Soleil, une fièvre silencieuse s'installe quelques jours avant l'explosion finale. Le noyau de l'étoile se contracte et s'échauffe, libérant des neutrinos – de minuscules particules qui interagissent à peine avec la matière.

Du plomb antique, resté deux mille ans au fond de la mer, est devenu le cœur d'un détecteur qui traque la substance la plus insaisissable de l'Univers. On en a fait croître un cristal transparent de tungstate de plomb de 13 grammes, refroidi presque au zéro absolu.

Lorsqu'une étoile massive explose en supernova, sa matière, à des vitesses de plusieurs milliers de kilomètres par seconde, percute l'enveloppe environnante de poussière cosmique et de gaz — comme si elle heurtait un invisible manteau enveloppant l'étoile.

Les électrons dans un métal, c'est un peu comme la foule dans le métro : chacun vaque à ses occupations, mais à la moindre poussée, tout le monde bouge d'un coup. Cette oscillation collective du gaz électronique, les physiciens l'appellent un plasmon.

Les neutrinos sont des particules fantômes : prédits par le modèle standard, ils n'interagissent presque pas avec la matière. Les attraper, c'est comme essayer d'entendre un murmure dans le vacarme d'une cascade.

Certaines supernovae superlumineuses supernovae montrent une forte signature de l'oxygène dans leur lumière et se dilatent rapidement, d'autres non. On aurait dit des phénomènes différents.

Un détecteur d'ondes gravitationnelles ne capte pas seulement le grondement des fusions, mais aussi le faible éclat lorsqu'une étoile ou un nuage de gaz plonge dans un trou noir supermassif.

Une sphère de silicium de 166 nanomètres de diamètre flotte dans un faisceau laser infrarouge. La pression est inférieure à 10⁻⁸ mbar, et la température de mouvement est d'environ 10 millikelvins. C'est plus froid que le rayonnement fossile.