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Comment mesurer la température de la stratosphère au fond d'une mine ?

ActualitéClassé sous :physique , MINOS , Main Injector Neutrino Oscillation Search

Comment peut-on savoir ce qui se passait dans la stratosphère il y a quelques dizaines d'années ? Réponse : en dépouillant les archives des flux de muons cosmiques enregistrés dans les détecteurs enterrés à des centaines de mètres sous terre. C'est l'étonnante conclusion à laquelle est parvenue un groupe de scientifiques américains et britanniques.

Une vue du détecteur Minos en cours d'installation avec ses 486 plaques d'acier équipées de photomultiplicateurs. Crédit : Fermilab

Les neutrinos sont parmi les particules les plus fascinantes et les plus insaisissables de l'Univers. On sait depuis quelques années qu'il en existe trois types différents et qu'ils sont dotés de masses. A cause d'un étrange mécanisme d'oscillation quantique, ces trois neutrinos se transforment constamment les uns dans les autres lorsqu'ils voyagent dans le cosmos. Or, ces masses et ces oscillations, même si elles peuvent être incorporées dans les équations du modèle standard, n'y trouvent aucune explication et elles sont donc des témoignages indirects d'une nouvelle physique. C'est pourquoi on étudie intensivement les neutrinos comme, par exemple, avec l'expérience MiniBooNE.

Une autre expérience portant sur les oscillations de neutrinos, menée là aussi au Fermilab, est celle baptisée MinosMain Injector Neutrino Oscillation Search. Le principe ressemble à celui d'Opera en Europe. Un faisceau de neutrinos est créé par les accélérateurs du Fermilab et sa composition est analysée en sortie. Ce faisceau est ensuite dirigé en direction du détecteur Minos enfoui dans la mine de fer de Soudan dans l'état du Minnesota, 735 kilomètres plus loin. Là, ce détecteur qui comporte 486 plaques d'acier octogonales et pèse 5.400 tonnes analyse à nouveau la composition du flux de neutrinos.

En haut à gauche, schéma montrant la position de la mine Soudan au Minnesota par rapport aux installations du Fermilab. La photographie montre une vue aérienne du Tevatron, le super accélérateur du Fermilab. Crédit : Fermilab

Même à cette profondeur, une partie des rayons cosmiques tombant sur Terre est toujours présente et il faut en tenir compte pour réaliser des mesures propres. En estimant et en soustrayant le bruit de fond produit par ces rayons cosmiques on peut alors espérer isoler un signal intéressant. Or, la majorité des rayons cosmiques heurtant les noyaux de la haute atmosphère terrestre, en particulier dans la stratosphère, sont des protons. Freinés par ces collisions, ils émettent des flux de mésons pi instables qui se désintègrent à leur tour en muons ou sont absorbés par les noyaux de la stratosphère. Certains de ces muons sont bien visibles dans Minos et curieusement, les physiciens des particules ont observé des pics inexpliqués dans le flux de muons à des intervalles de quelques jours, en particulier en hiver.

Témoins d'échauffements stratosphériques

Soupçonnant une liaison avec l'état de la stratosphère à ce moment, ils ont eu la surprise de constater que ces pics et leurs intensités étaient fortement corrélés à un phénomène que les spécialistes de la météorologie de la stratosphère connaissent depuis un certain temps : des réchauffements soudains et intenses de la stratosphère, comme on peut le voir sur cette vidéo. Connus sous le nom de Sudden Stratospheric Warming (SSW), ces événements peuvent parfois conduire à une élévation locale de la température de 40°C !

L'une des plaques octogonales de Minos. Crédit : Fermilab

Le phénomène de modification du flux de muons est alors facile à comprendre. Lorsque la température s'élève, la densité dans la stratosphère est plus faible, ce qui réduit le nombre de mésons pi absorbés. La production de muons par désintégration des mésons augmente, et inversement diminue lorsque la température chute.

En fait, ce phénomène avait été anticipé par des chercheurs du National Centre for Atmospheric Science (NCAS) qui s'occupaient d'évaluer le bruit de fond d'un autre détecteur de rayons cosmique mais en Antarctique celui-là, Amanda.

Ils avaient alors demandé aux expérimentateurs de vérifier cette corrélation étroite entre température de l'atmosphère et flux de neutrinos. A la surprise des chercheurs, les archives de 2002 ont effectivement montré cette augmentation du flux au moment où la stratosphère était particulièrement chaude au-dessus de l'Antarctique. C'est donc pour vérifier que l'effet n'était pas dû à une erreur systématique résultant du détecteur lui-même que les physiciens se sont tournés vers les données provenant de Minos.

Il ne s'agit pas, bien sûr, de mesurer en permanence la température de la stratosphère avec les quelques rares détecteurs de rayons cosmiques enterrés çà et là sur la planète. Mais les mesures obtenues sont particulièrement fiables et les archives conservées pourraient nous en apprendre beaucoup sur les connexions possibles entre évolution du climat et rayons cosmiques.

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