Sciences

Ptolemy : une expérience pour voir les neutrinos du Big Bang

ActualitéClassé sous :cosmologie , big bang , neutrino fossile

Pendant longtemps, la détection directe du fond de neutrinos cosmologique a semblé hors de portée de l'humanité. Pourtant, le prototype d'une expérience qui pourrait le faire est en cours de développement. Nommée Ptolemy (Princeton Tritium Observatory for Light, Early Universe Massive Neutrino Yield), elle pourrait à terme nous permettre d'observer l'état de l'univers alors qu'il n'était âgé que d'une seconde environ.

Interview 1/5 : la création de l'Univers  L’Univers, ce concept ultime qui semble comprendre tout ce qui existe et existera, est régi par des lois complexes, dont beaucoup nous échappent. Michel Casse, astrophysicien à l’institut d’Astrophysique de Paris, nous explique ce que l'on sait de son fonctionnement avec des perspectives sur des dimensions et même d'autres Univers qui nous sont invisibles. 

Environ une seconde après le début de l'univers observable, dans le modèle standard de la cosmologie relativiste du Big Bang, la température du cosmos était de 10 milliards de degrés et sa densité était comparable à celle de l'eau. L'univers contenait une soupe de leptons, de photons et surtout de protons et de neutrons se transformant les uns dans les autres en absorbant et émettant des neutrinos. Cela n'allait pas durer...

En dessous de ce seuil de température qui correspond à des énergies pour les neutrinos de l'ordre de 1 MeV, ils ont cessé d'interagir avec les nucléons pour se propager finalement librement dans l'espace. Environ 380.000 ans plus tard, un phénomène similaire s'est produit, celui de la recombinaison. Lorsque la température de l'univers observable est passée sous la barre des 3.000 degrés kelvins environ, les photons ont cessé d'interagir avec les noyaux et les électrons qui se sont assemblés pour former les premiers atomes neutres. C'est alors qu'a été émis le fameux rayonnement fossile ou cosmic microwave background (CMB), comme on l'appelle en anglais.

L’astronomie des neutrinos, une fenêtre sur l’univers primitif

Il existe donc, en plus du fond diffus cosmologique de photons, un rayonnement cosmologique de neutrinos qui nous donnerait directement accès, si l'on pouvait l'observer, le mesurer et le cartographier, à une image de l'état de l'univers lorsqu'il n'était âgé que de quelques secondes tout au plus. Ce fond cosmologique de neutrinos (en anglais cosmic neutrino background soit CNB ou encore CνB, lire C-nu-B), nous pouvons l'observer indirectement par ses effets sur le rayonnement fossile comme l'ont montré les analyses récentes des mesures de la mission Planck.

Mais le mettre directement en évidence représente un défi technologique que tentent de relever les membres du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) à travers le projet Ptolemy (Princeton Tritium Observatory for Light, Early Universe Massive Neutrino Yield).

Une vue du prototype de l’expérience Ptolemy, le nom en anglais du célèbre astronome de l’Antiquité, Ptolémée. À terme, elle utilisera 100 g de tritium. © Elle Starkman, PPPL Office of Communications

En effet, les neutrinos interagissent très faiblement avec la matière quand ils sont à basse énergie. Certes, il existe plus de neutrinos fossiles que de photons fossiles dans le cosmos. On estime même qu'il en existe environ 450 par cm3. Mais du fait de l'expansion de l'univers et de son refroidissement, la température moyenne du CNB est aujourd'hui de seulement 1,95 kelvin soit légèrement plus froide que celle du CMB (2,725 K). On est donc loin des 10 milliards de kelvins initiaux et à une température aussi basse, les neutrinos cosmologiques semblaient, pour beaucoup, insaisissables puisque capables de traverser en moyenne, pour chacun d'entre eux, un bloc de fer d'une année-lumière d'épaisseur.

Des supraconducteurs pour évaluer l’énergie des neutrinos fossiles

C'était sans compter sur les progrès des détecteurs de particules utilisant le phénomène de supraconductivité ainsi que sur les découvertes des nanosciences. On a ainsi vu récemment que des bolomètres basés sur cette technologie ont été en mesure de détecter les fameux modes B de la polarisation du rayonnement fossile dans le cadre de l'expérience Bicep2. L'idée de base est que de tels détecteurs absorbant une particule qui y dépose de l'énergie s'échauffent localement et cessent d'être alors dans un état supraconducteur. Ce qui se manifeste par un brusque saut de la résistance dans un des capteurs de l'appareil.

L'expérience Ptolemy consistera à utiliser ce type de calorimètre pour mesurer l'énergie des électrons émis par la désintégration de noyaux de tritium déposés sur un feuillet de graphène. La théorie de la désintégration bêta pour cet isotope bien connu de l'hydrogène implique que les électrons émis ne peuvent pas posséder une énergie supérieure à une valeur bien déterminée. En sélectionnant à l'aide d'un champ magnétique, les électrons les plus énergétiques émis par les noyaux de tritium, il est possible de mesurer leurs énergies avec un calorimètre supraconducteur refroidi à une température inférieure à 0,1 K. Toujours d'après la théorie de l'interaction électrofaible à la base de celle de la désintégration bêta, on sait que ces électrons ont une faible probabilité d'absorber une partie de l'énergie des neutrinos du CNB. Certains d'entre eux déposeront donc dans le calorimètre, plus d'énergie qu'il n'est en théorie possible en l'absence de collision avec un neutrino si le système est suffisamment protégé par les effets d'un bruit de fond causé par d'autres particules que les neutrinos.

In fine, la distribution des énergies des électrons mesurée par Ptolemy devrait montrer la présence d'au moins un pic (une augmentation de la résolution montrerait trois pics associés aux trois types de neutrinos du modèle standard) au-dessus de la valeur maximale des énergies des électrons issus de la désintégration bêta des noyaux de tritium. D'après les chercheurs, un second pic pourrait trahir l'existence de neutrinos stériles et permettre de répondre à une vieille question qui apporterait une clé à l'énigme de l'antimatière cosmologique : les neutrinos sont-ils des fermions de Majorana ?

Abonnez-vous à la lettre d'information La quotidienne : nos dernières actualités du jour.

!

Merci pour votre inscription.
Heureux de vous compter parmi nos lecteurs !

Ettore Majorana (né à Catane, en Sicile, le 5 août 1906 et présumé disparu en mer Tyrrhénienne le 27 mars 1938) avait, selon les dires de son mentor, Enrico Fermi, une intelligence supérieure à la sienne. Faire de la physique théorique lui était aussi naturel que respirer, selon l’expression d’Étienne Klein. Ses découvertes les plus célèbres concernent une des bases de la physique de l’IRM et les premiers modèles de noyaux avec l’interaction nucléaire forte, avant celui de Heisenberg. © Wikipédia, DP