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Voir l'intérieur de la Terre... avec un cube de glace

ActualitéClassé sous :physique , géologie , neutrino

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Cela fait des dizaines d'années que les physiciens étudient la possibilité de sonder les profondeurs de la Terre avec des neutrinos. Avec les instruments actuels, c'est impossible. Mais le prochain détecteur géant, IceCube, qui sera opérationnel à l'horizon 2010, devrait pouvoir le faire !

La zone où se trouve les batiments du télescope IceCube au Pôle Sud. Crédit: NSF

Les neutrinos sont d'ordinaire des particules très pénétrantes, tellement que sur leur libre parcours moyen il ne se produit qu'une collision avec une particule de matière qui ferait partie de 300 planètes Terre juxtaposées. Toutefois, plus un neutrino possède une énergie importante et plus l'épaisseur d'un bloc de matière rocheuse qu'il peut traverser sans interaction, diminue. D'après les calculs, lorsque cette énergie dépasse 1 TeV, l'épaisseur de 300 Terre est ramenée à une seule.

On sait que dans le domaine des rayons cosmiques, on peut trouver des particules possédant une énergie bien plus grande que 1 TeV, les résultats récents d'Auger sont là pour nous le rappeler. En considérant des neutrinos dont l'énergie est bien au-dessus de 1 TeV, un effet significatif sur la diminution du flux de ces neutrinos, en fonction de l'épaisseur et de la densité des couches de roches traversées à l'intérieur de la Terre, doit commencer à être notable. En théorie donc, on devrait pouvoir faire de la tomographie de l'intérieur de la Terre avec ces neutrinos.

En plaçant un détecteur de neutrinos en un point sur Terre, par exemple au Pôle Sud, on peut enregistrer différents flux de neutrinos, ayant traversé la Terre, en fonction d'une direction donnée par un angle thêta. Crédit : Pankaj Jain, John P. Ralston, George M. Frichter.

En plaçant un détecteur de neutrinos en un point sur Terre, par exemple au Pôle Sud, on peut enregistrer différents flux de neutrinos, ayant traversé la Terre, en fonction d'une direction donnée par un angle thêta. Crédit : Pankaj Jain, John P. Ralston, George M. Frichter.

On possède bien sûr des renseignements sur la structure interne du globe grâce à la sismologie depuis plus d'un siècle. Mais, non seulement il reste des incertitudes sur la répartition exacte de la matière à l'intérieur de la Terre (la densité dans le noyau ne serait connue qu'à 10 % près), mais aussi nous ne possédons pas vraiment de confirmations indépendantes de cette structure très en profondeur.

Un espoir pour les géologues : les neutrinos atmosphériques

Malheureusement, les études récentes sur le flux de rayons cosmiques au-dessus de 1 TeV ont montré qu'il était moins important que prévu, ce qui veut dire qu'avec les détecteurs de neutrinos dont nous disposons actuellement, il n'est pas possible d'avoir des mesures suffisamment précises pour reproduire ce que l'on sait déjà faire par le moyen de la sismologie. Exit, donc, ce nouvel instrument pour les géologues...

« N'abandonnons pas l'idée si vite ! » expliquent, en substance, un groupe de chercheurs espagnols, américains et japonais. Cette équipe vient de publier un article (sur arXiv) dans lequel ils pensent avoir démontré que la prochaine génération de détecteurs géants, en particulier celui qui est en construction en Antarctique, IceCube, devrait être tout de même suffisamment sensible pour pouvoir exploiter d'autres neutrinos, moins énergétiques mais produits en plus grand nombre : les neutrinos atmosphériques.

IceCube sera un détecteur géant, ce schéma donne une idée de sa taille par rapport à la Tour Eiffel. Crédit : Kara Hoffman

IceCube sera un détecteur géant, ce schéma donne une idée de sa taille par rapport à la Tour Eiffel. Crédit : Kara Hoffman

Ces particules sont produites indirectement par la collision des rayons cosmique, en général des noyaux d'atomes, avec les atomes de l'atmosphère terrestre. Leur flux devrait être facilement mesurable avec IceCube qui est constitué d'un grand nombre de détecteurs de rayonnement Cerenkov que l'on descend lentement dans des puits forés au Pôle Sud dans de la glace. Quand il sera achevé, le détecteur s'étendra sur plusieurs kilomètres cubes de glace comme on peut le voir sur le schéma ci-dessus.

Des capteurs de rayonnement Cerenkov sont descendus dans la glace. Lorsqu'un neutrino intéragit avec un noyau en donnant des muons, il se produit aussi une émission de rayonnement Cerenkov. Crédit: Ceren Hires/NSF

Des capteurs de rayonnement Cerenkov sont descendus dans la glace. Lorsqu'un neutrino intéragit avec un noyau en donnant des muons, il se produit aussi une émission de rayonnement Cerenkov. Crédit: Ceren Hires/NSF

Plusieurs milliers de modules équipés de photomultiplicateurs seront montés sur 70 câbles constituants le détecteur. Pour le moment, 13 d'entre eux seulement sont en place et, si tout se passe bien, il faudra attendre au moins janvier 2011 pour que l'installation soit terminée.

En prenant en compte différents facteurs, comme l'oscillation des neutrinos, les chercheurs sont arrivés à la conclusion qu'il faudra détecter au moins 1.000 neutrinos pour connaître le changement de densité de la matière à l'interface noyau-manteau avec une précision de 99 %.

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