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Cuore : l'objet le plus froid du monde pour traquer les neutrinos

ActualitéClassé sous :physique , double désintégration bêta , neutrino

Les aimants supraconducteurs du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC), en fonctionnement au Cern, sont un peu plus froids que le rayonnement fossile, et étaient jusque-là les objets macroscopiques les plus froids connus dans l'univers observable, à l'exception de la nébuleuse du Boomerang. Ce record a été battu par Cuore, un détecteur en construction destiné à percer les secrets de la nature des neutrinos. Les physiciens ont abaissé la température de 400 kilos de cuivre à seulement six millikelvins. Et ils ont aussi utilisé... des lingots de plomb d'une épave de navire romain.

Une vue de Cuore en cours de construction. Avec ce détecteur, les physiciens espèrent déterminer si les neutrinos sont leurs propres antiparticules, auquel cas ils seraient des fermions de Majorana. Si cela est confirmé, une porte s'ouvrirait sur une physique au-delà du modèle standard, avec de nombreuses conséquences possibles en cosmologie. © INFN

Une faible fraction de la matière noire nous est connue et elle se rencontre sur Terre : ce sont les neutrinos. Nous savons qu'ils possèdent une masse et qu'ils oscillent en se transformant les uns dans les autres mais nous ignorons encore l'origine exacte de cette masse. Nous ne savons pas non plus si neutrinos et antineutrinos sont des particules distinctes. S'ils ne le sont pas, ils seraient alors des fermions de Majorana. Auquel cas d'autres neutrinos pourraient exister, ce qui aurait des conséquences sur les modèles de matière noire dont on ne peut toujours pas se passer pour expliquer la naissance des galaxies. En outre, ces particules permettent d'envisager des processus expliquant pourquoi la matière domine de façon écrasante l'antimatière dans l'univers observable, alors que les équations du modèle standard montrent que matière et antimatière auraient dû être produites en quantités égales lors du Big Bang.

L'une des expériences permettant de savoir si les neutrinos sont des fermions de Majorana s'appelle Cuore (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events). Une autre porte le nom de GERmanium Detector Array (Gerda). Toutes deux, qui ont lieu sous le Gran Sasso en Italie, ont pour objectif de partir à la chasse de la double désintégration bêta sans neutrinos. Comme il s'agit d'une radioactivité difficile à déceler, l'expérience impose de réduire le plus possible le bruit de fond des rayons cosmiques ainsi que l'écho de la désintégration naturelle des noyaux présents dans le détecteur lui-même. La première source de bruit est limitée une première fois par les 1.400 m de roche qui séparent Cuore de la surface de la Terre. Pour abaisser encore ce bruit de fond, un physicien a eu l'idée de récupérer une trouvaille en archéologie.

Environ 150 des 1.000 lingots de plomb que l'on a retrouvés dans l'épave d'un navire romain de 36 m de long ont été confiés aux physiciens pour mener des expériences en physique des particules. Ces vestiges sont 100.000 fois moins radioactifs aujourd'hui que lors de la fabrication des lingots il y a plus de 2.000 ans. © INFN, Cagliari Archeological Superintendence

Des lingots romains pour la physique des particules

En 1988, un plongeur avait découvert les restes d'une sorte de cargo de l'époque romaine, un navis oneraria magna immergé à 28 m de profondeur et à 2 km de la côte sarde. Probablement coulé volontairement entre 80 et 50 avant J.-C., afin que son contenu ne soit pas dérobé par des ennemis, il transportait 1.000 lingots de plomb pesant 33 kg chacun. Lorsqu'il a pris connaissance de ce trésor, peu de temps après sa découverte, le physicien italien Ettore Fiorini, qui travaillait déjà sur le projet Cuore, a tout de suite compris son intérêt. Le plomb permet certes de construire des boucliers contre les radiations mais il contient lui-même, fraîchement extrait du minerai, du plomb 210. C'est un isotope radioactif dont la demi-vie est de 22 ans. Fondues il y a plus de 2.000 ans, les 33 tonnes de lingots romains ont perdu en très grande partie leur radioactivité naturelle. Ce matériau pouvait donc servir à envelopper les instruments de Cuore sans devenir une source de rayonnement compromettant la détection d'une double désintégration bêta sans neutrinos.

La construction de Cuore n'est pas encore terminée. À terme, le détecteur pèsera presque deux tonnes et il contiendra 1.000 bolomètres constitués de cristaux en dioxyde de tellure. Pour identifier des fluctuations d'énergie causées dans les cristaux par la double désintégration bêta qui fera monter la température dans les bolomètres, il faut que ceux-ci soient refroidis à dix millikelvins, autrement dit à dix-millièmes de degré au-dessus du zéro absolu.

Les membres de Cuore viennent d'annoncer qu'ils avaient à cet égard battu un record. Le rayonnement fossile étant à 2,7 K, il n'existe pas dans l'univers observable aujourd'hui de système physique naturel à plus basse température, à l'exception de la nébuleuse du Boomerang. Les physiciens ont cependant refroidi un volume du détecteur d'environ 1 m3 contenant une masse de cuivre d'environ 400 kg à 6 mK. On n'était jamais descendu aussi bas pour un objet aussi gros dans un laboratoire...

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