mardi 29 novembre 2011

Askaryan, ou l'effet "détecteur de neutrinos"

Peut-être connaissez vous l'effet Cherenkov (parfois écrit Tcherenkov ou Cerenkov), qui est ce phénomène physique d'émission de lumière bleutée dont l'origine provient de particules chargées dont la vitesse est supérieure à celle de la lumière dans un milieu donné  (qui est égale à c/n, n étant l'indice de réfraction du milieu considéré).
Par exemple, la vitesse de la lumière dans l'eau n'est que de 0.75c et seulement de 0.67c dans le verre. c n'est la vitesse de la lumière que dans le vide, oui...

Il est donc relativement (?) facile pour certaines particules très énergétiques de dépasser cette vitesse hors du vide.
L'effet Cherenkov est observable visuellement car la particule localement supraluminique produit un cône de lumière d'un beau bleu. On peut voir cette lumière en regardant par exemple dans la piscine d'un réacteur nucléaire, où des particules alpha ou béta issues des matériaux radioactifs constituants le combustible sont émises avec des vitesses supraluminiques dans l'eau.
C'est aussi cet effet qui est utilisé pour détecter des neutrinos cosmiques, que ce soit dans de grandes masses d'eau (expérience ANTARES en méditerranée) ou de glace (ICEBUBE en Antarctique).

Mais alors, l'effet Askaryan, me direz-vous, qu'est ce que c'est ? Et en avez vous déjà entendu parlé ?

L'effet Askaryan est très semblable à l'effet Cherenkov, sauf qu'il apparait spécifiquement dans des matériaux diélectriques, comme par exemple le sel, la glace ou le régolithe que l'on trouve dans le sol lunaire.

Lorsqu'une particule traverse un tel milieu avec une vitesse supérieure à la vitesse de phase de la lumière dans ce même milieu, il apparaît non plus une lumière bleue visible, mais une gerbe gamma-électrons et de particules secondaires chargées, qui contiennent entre elles une anistropie de charge (il y a 20% d'électrons de plus que de positrons) et donc elles produisent un cône (là encore...) de rayonnement cohérent dans le domaine radio ou micro-onde du fait des champs électriques locaux produits dans le diélectrique.

Cet effet avait été postulé théoriquement par le physicien Arménien (à l'époque soviétique) Gurgen Askaryan (1928-1997) en 1962, mais n'a pu être observé expérimentalement que 38 ans plus tard en 2000 (voir http://arxiv.org/abs/hep-ex/0011001).

Depuis, cet effet a été observé dans de la silice, des sels et de la glace. Et cet effet presque étonnant est devenu très intéressant lorsque l'on veut détecter par exemple des rayonnements cosmiques sous forme de neutrinos de ultra-haute énergie.
Gurgen Askaryan
Par exemple, l'expérience ANITA (Antarctic Impulse Transient Antenna) utilise des antennes attachées à un ballon stratosphérique qui survole l'Antarctique pour chercher le rayonement Askaryan venant du continent qui est produit lorsque des neutrinos cosmiques traversent la glace de la surface Antarctique.
D'autres expériences ont même proposé d'utiliser la Lune comme détecteur de neutrinos via la détection de l'effet Askaryan dans le régolythe...

Très récemment, une nouvelle manip du même genre que ANITA mais en plus grand a été proposée par une équipe de la NASA, dans le but de rechercher des signaux radio toujours à bord d'un ballon au dessus de l'Antarctique (P.W. Gorham et al., Astroparticle Physics 35 (2011) 242–256). Il faut dire que c'est un terrain propice : des kilomètres cubes de glace désertiques sans la moindre perturbation humaine.
Cette nouvelle manip, dénommée EVA (ExaVolt Antenna) permettra d'améliorer, en un seul vol suborbital, d'un facteur 10 à 100 les résultats antérieurs sommés de ANITA.

Ecoutant la bande située entre 150 et 600 MHz, cette grande oreille devrait détecter environ 30 événements de l'ordre de l'EeV (10^18 electron-volts) par vol.

Mais revenons un instant sur celui qui a découvert cet effet, Gurgen Askaryan. C'est un physicien très méconnu, qui a pourtant apporté quelques contributions très intéressantes dans le domaine des interactions particules-matière. Sa plus grande découverte est sans conteste non pas l'effet qui porte son nom, encore que l'avenir nous réserve peut-être des surprises grâce aux antennes géantes du pôle Sud, mais un effet subtil observable dans les lasers qui est une auto-focalisation de la lumière.
On lui doit également la mise en évidence de la possibilité de détecter le passage de particules de manière acoustique grâce aux microbulles générées sur leur passage qui éclatent très vite...

La légende raconte enfin qu'il avait trouvé dès la fin des années 40, lorsqu'il était encore étudiant, un effet qui valut le prix Nobel à son découvreur officiel Donald Glaser des années plus tard en 1952, il s'agit du principe de la chambre à bulles pour détecter le passage de particules chargées (prix Nobel 1960).

Askaryan mourut à Moscou en 1997 presque dans l'indifférence générale.

Les articles fondateurs décrivant l'effet Askaryan ont été exhumés par les physiciens américains de l'Université de Hawaï, promoteurs de l'expérience ANITA, ils ont été mis en ligne ici :
http://www.phys.hawaii.edu/~anita/web/paperwork/currently%20organizing/Other%20Papers/askaryan_1962.pdf
http://www.phys.hawaii.edu/~anita/web/paperwork/currently%20organizing/Other%20Papers/askaryan_1965.pdf


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