Phy­sique Un dé­tec­teur mi­nia­ture pour les neu­tri­nos

Une équipe a cap­tu­ré un nou­veau type d’in­ter­ac­tion entre des neu­tri­nos et des noyaux ato­miques, grâce à un ins­tru­ment de la taille d’un grille-pain.

La Recherche - - Sommaire - Julien Bour­det

De toutes les par­ti­cules élé­men­taires, les neu­tri­nos sont les moins sus­cep­tibles d’in­ter­agir avec la ma­tière qu’ils tra­versent. Pour réus­sir à les cap­tu­rer, les phy­si­ciens ont donc cons­truit d’im­menses dé­tec­teurs consti­tués de plusieurs mil­liers de tonnes d’un ma­té­riau cible. Mais voi­là qu’une équipe in­ter­na­tio­nale de cher­cheurs an­nonce être par­ve­nue à dé­tec­ter des in­ter­ac­tions de neu­tri­nos en­core ja­mais ob­ser­vées jus­qu’ici, à l’aide d’un ins­tru­ment de 14,5 kg, à peine plus grand qu’ un grille-pain (1). Cette pre­mière vient confir­mer une pré­dic­tion faite il y a plus de qua­rante ans par le phy­si­cien amé­ri­cain Da­niel Freed­man. Ce­lui-ci avait pro­po­sé de me­su­rer l’in­ter­ac­tion d’un neu­tri­no de faible éner­gie avec le noyau d’un atome, un phé­no­mène dit de dif­fu­sion élas­tique co­hé­rente. Au cours de la col­li­sion, le neu­tri­no fait lé­gè­re­ment re­cu­ler le noyau, qui émet en­suite des pho­tons. « Comme le neu­tri­no “voit” le noyau dans son en­semble, la pro­ba­bi­li­té de le dé­tec­ter est bien plus grande que lors des in­ter­ac­tions ha­bi­tuelles entre un neu­tri­no de haute éner­gie et un seul nu­cléon, ce qui per­met d’en­vi­sa­ger des dé­tec­teurs plus pe­tits », ex­plique Thier­ry Las­serre, du Com­mis­sa­riat à l’éner­gie ato­mique. Seul pro­blème : le re­cul à me­su­rer est très faible. Ce­la re­vient à dé­ce­ler l’ef­fet qu’au­rait une balle de ping-pong sur une boule de bow­ling ! C’est pré­ci­sé­ment ce dé­fi qu’a re­le­vé l’équipe de Juan Col­lar, de l’uni­ver­si­té de Chi­ca­go.

Ré­ac­teurs nu­cléaires

Pour ce­la, les phy­si­ciens ont ins­tal­lé leur dé­tec­teur dans une salle sou­ter­raine, tout près de la source de neu­trons du la­bo­ra­toire na­tio­nal amé­ri­cain d’Oak Ridge. La source en­gendre un flux im­por­tant de neu­tri­nos comme sous-pro­duit. Pour blo­quer les neu­trons et autres par­ti­cules gê­nantes, deux épaisses couches d’acier et de bé­ton ont été pla­cées entre la source et l’ins­tru­ment. Le choix du ma­té­riau de la cible a éga­le­ment été im­por­tant : le dé­tec­teur est com­po­sé de cris­taux d’io­dure de cé­sium, deux élé­ments dont les noyaux ato­miques sont suf­fi­sam­ment gros pour être fa­ci­le­ment per­cu­tés par les neu­tri­nos, mais aus­si as­sez lé­gers pour que leur re­cul après l’im­pact soit dé­tec­table sous forme de pho­tons. Et après quinze mois de col­lecte de don­nées, le ré­sul­tat était là : l’équipe a ob­ser­vé 134 col­li­sions d’un neu­tri­no sur un noyau ato­mique. La dé­cou­verte ouvre d’al­lé­chantes pers­pec­tives. Grâce à des dé­tec­teurs plus sen­sibles en­core, on pour­ra ca­rac­té­ri­ser cer­taines pro­prié­tés en­core mal connues des neu­tri­nos. « Et si on par­vient à faire di­mi­nuer da­van­tage la taille des ins­tru­ments, ils pour­ront ser­vir à lut­ter contre la pro­li­fé­ra­tion nu­cléaire », avance Thier­ry Las­serre. De tels ap­pa­reils por­tables per­met­traient en ef­fet de sur­veiller à dis­tance l’émis­sion de neu­tri­nos par le coeur des ré­ac­teurs nu­cléaires et ain­si de re­pé­rer la pro­duc­tion clan­des­tine de com­bus­tible pour des bombes ato­miques.

Juan Col­lar, de l’uni­ver­si­té de Chi­ca­go, et son (tout pe­tit) dé­tec­teur.

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