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Il y a près de sept ans, les équipes ont commencé à extraire 800 000 tonnes de roches d’un ancienne mine d’or près de Lead, dans le Dakota du Sud.
Les trois cavernes souterraines qui en résultent mesurent 500 pieds de long et sont presque suffisamment hautes pour contenir un bâtiment de sept étages.
Estimé à au moins 3 milliards de dollars, le projet DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) est mené par des scientifiques du Département américain de l’énergie. Laboratoire Fermi.
À terme, chaque caverne contiendra 17 500 tonnes d’argon liquide pour aider les physiciens du Laboratoire Fermi à détecter des particules insaisissables connues sous le nom de neutrinos, également appelées « particules fantômes ».
Les fouilles de cavernes au centre de recherche souterrain de Sanford, dans le Dakota du Sud, ont commencé en 2017.
Installation de recherche souterraine de Sanford
Les neutrinos sont des particules subatomiques qui vous entourent et qui vous traversent sans être remarquées. Le soleil les crée ; les supernovas les fabriquent ; même les bananes produisent des neutrinos.
« Si vous levez la main, 10 milliards de neutrinos du soleil traversent votre main », a déclaré à Business Insider la physicienne Mary Bishai et porte-parole de DUNE chaque seconde.
Les neutrinos sont surnommés particules fantômes car ils n’ont pas de charge électrique et interagissent donc rarement avec tout ce avec quoi ils entrent en contact.
Cela les rend également extrêmement difficiles à étudier, mais les scientifiques persistent néanmoins car les neutrinos pourraient détenir la clé pour dévoiler les secrets de l’univers, depuis ce qui s’est passé juste après le Big Bang jusqu’à l’observation de la naissance d’un trou noir.
Un faisceau de neutrinos entre l’Illinois et le Dakota du Sud
Les chercheurs du banc d’essai ICEBERG du Laboratoire Fermi examinent l’électronique froide qui sera utilisée dans le projet DUNE.
Reidar Hahn/Laboratoire Fermi
Étudier une particule qui n’émet pas de rayonnement et qui est plus légère qu’un électron est difficile. « Les interactions des neutrinos sont presque des aiguilles dans une botte de foin », a déclaré Bishai.
Et les scientifiques du Laboratoire Fermi veulent étudier les neutrinos avec des détails sans précédent, comme jamais auparavant, avec DUNE.
C’est pourquoi DUNE disposera des plus grands détecteurs de neutrinos de ce type jamais construits.
Une fois terminée, l’expérience devrait démarrer avec une série d’accélérateurs de particules au Fermilab, à l’extérieur de Chicago, dans l’Illinois.
Une des cavernes qui abritera les détecteurs du projet DUNE.
Matthew Kapust, installation de recherche souterraine de Sanford
Les accélérateurs lanceront d’abord un faisceau de neutrinos extrêmement puissant à travers un détecteur du Laboratoire Fermi. Le faisceau parcourra ensuite 800 milles sous terre jusqu’aux détecteurs du centre de recherche souterrain de Sanford, dans le Dakota du Sud.
En chemin, les neutrinos feront quelque chose d’assez étrange. Il existe trois types de neutrinos, et les particules peuvent basculer entre eux, un phénomène connu sous le nom d’oscillation. Un scientifique du Fermilab l’a comparé à un chat domestique se transformant en jaguar puis en tigre avant de reprendre sa forme originale.
Suivre l’évolution des neutrinos sur de si longues distances entre l’Illinois et le Dakota du Sud aidera les scientifiques à mieux comprendre ces oscillations en leur donnant une vue plus complète que l’expérience NOvA actuelle de 500 milles du Laboratoire Fermi entre l’Illinois et le Minnesota.
Le faisceau de neutrinos de DUNE voyagera du laboratoire Fermi à travers 800 miles de terre jusqu’aux détecteurs éloignés du centre de recherche souterrain de Sanford.
Laboratoire Fermi DUNE
Faire tout cela à un kilomètre sous terre protège les particules délicates et oscillantes des rayons cosmiques énergétiques qui inondent la surface de la Terre chaque seconde et pourraient interférer avec les données.
Résoudre les mystères de l’univers
Les scientifiques espèrent répondre à trois questions principales avec DUNE : pourquoi l’univers est constitué de matière plutôt que d’antimatière, que se passe-t-il lorsqu’une étoile s’effondre et les protons se désintègrent-ils ?
« Juste après le Big Bang, la matière et l’antimatière ont été créées en quantité presque égale », a déclaré Bishai. Mais aujourd’hui, d’après ce que savent les scientifiques, l’univers est presque entièrement constitué de matière.
« Pourquoi nous sommes-nous retrouvés avec un univers de matière, et non un univers d’antimatière ? » elle a ajouté.
Le faisceau de DUNE est conçu pour créer à la fois des neutrinos et des antineutrinos – la version antimatière. L’examen des oscillations de chaque type pourrait aider les scientifiques à comprendre ce qui est arrivé à toute l’antimatière.
Le projet concerne également la physique des supernovas, a déclaré Bishai.
L’installation de recherche souterraine de Sanford est située dans une ancienne mine d’or.
Stephen Kenny, installation de recherche souterraine de Sanford
En 1987, les astronomes ont été témoins d’une brillante supernova explosant à une distance jamais atteinte depuis environ 400 ans. Avec les détecteurs en place à l’époque, ils n’ont pu détecter qu’une vingtaine de neutrinos.
Il y a 40 % de chances qu’une autre étoile proche explose au cours de la prochaine décennie, a déclaré Bishai, et Fermilab espère qu’au moins un de ses détecteurs du Dakota du Sud sera opérationnel à temps.
Un prototype de détecteur, faisant partie de l’expérience protoDUNE, au CERN.
Maximilien Brice/CERN
Un détecteur d’une telle taille pourrait capturer des milliers de neutrinos et donner un aperçu de la formation des trous noirs et des étoiles à neutrons.
Enfin, les scientifiques n’ont pas encore observé de désintégration des protons, mais la théorie prédit que cela devrait se produire. Les protons sont de minuscules particules chargées positivement qui font partie du noyau d’un atome.
L’observation de la désintégration des protons aurait des implications sur la conviction d’Albert Einstein selon laquelle une seule théorie pourrait unifier toutes les forces de la nature.
Si les protons se désintègrent, cela prendrait environ 10 milliards, billions, billions d’années. Mais les détecteurs de neutrinos peuvent rechercher différentes signatures de désintégration des protons, a expliqué Bishai. « Nous aurions une chance de les voir, si ces grandes théories unifiées sont correctes. »
Un projet ambitieux
Il existe actuellement plusieurs projets sur les neutrinos dans le monde, notamment au Complexe japonais de recherche sur l’accélérateur de protons (J-PARC) et à l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN).
Ce qui rend DUNE unique, c’est son utilisation de l’argon et la longue distance entre ses détecteurs proches et lointains.
Un détecteur de neutrinos test, ProtoDUNE, a été créé au CERN. Quatre appareils similaires seront à terme implantés sous terre dans le cadre du projet DUNE.
Jim Shultz/Laboratoire Fermi DUNE
Le projet a connu quelques revers en matière de budget et de calendrier, a rapporté Scientific American en 2022. Il est censé disposer de quatre détecteurs d’argon mais commencera avec deux.
Le premier pourrait être opérationnel d’ici la fin de 2028, a déclaré Bishai, et le deuxième détecteur suivrait l’année prochaine. Ceux-ci seront en place en cas d’explosion d’une supernova, mais la partie faisceau ne sera prête qu’en 2031.
Cela dit, Bishai pense que le projet a déjà atteint l’une de ses plus grandes réalisations, une collaboration d’environ 1 400 personnes de 36 pays. « C’est une grande science », a-t-elle déclaré. « C’est aussi une grande science internationale. »