jeudi 28 février 2019

Super-Kamiokande à l’affût des neutrinos des supernovas


50 000 tonnes d'eau ultra-pure et 11 200 détecteurs de lumière Cherenkov, Super-Kamiokande, installé 1000 m sous terre, près de Hida au centre du Japon, est sans conteste le détecteur de neutrinos souterrain le plus grand dans son genre. Pour la première fois depuis 10 ans, il vient d'être entièrement vidé et va être modifié en ajoutant du gadolinium dans son eau, ce qui va enfin permettre de détecter des neutrinos issus de supernovas lointaines.




La remise à niveau aura coûté 10 millions de dollars, mais ça en vaut la chandelle car il va pouvoir désormais détecter très efficacement les antineutrinos qui sont produits par des supernovas lointaines. 
On estime qu'une supernova émet en moyenne 1058 neutrinos ou antineutrinos et qu'il se produit un tel cataclysme toutes les 2 ou 3 secondes quelque part dans l'Univers. Les seuls neutrinos de supernova qu'ont pu détecter les chercheurs Japonais et américains qui exploitent aujourd'hui Super-K avaient été ceux de la supernova SN1987A, explosée relativement proche de nous dans le Grand Nuage de Magellan, avec le détecteur prédécesseur de Super-K jusqu'en 1996, qui s'appelait simplement Kamiokande (16 m x 16 m et 1000 photomultiplicateurs). Il y en avait eu 12 d'un coup, une superbe découverte qui aura valu à Masatoshi Koshiba de partager le prix Nobel en 2002.
Mais depuis 1987, rien, nada. Pas un seul neutrino en provenance d'une supernova n'a pu être détecté. Ou plus exactement pas un seul antineutrino électronique car ce sont ces types de neutrinos que les supernovas produisent en grande quantité et que SuperKamiokande peut détecter. Les neutrinos électroniques ou muoniques provenant du Soleil ou de l'atmosphère sont bien détectés lorsqu'ils produisent une collision sur un électron d'un atome d'hydrogène ou d'oxygène de l'eau. L'électron éjecté avec une grande énergie peut atteindre une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière dans l'eau (0,77 fois la vitesse de la lumière dans le vide). Dans ce cas, l'électron rayonne des photons caractéristiques dans une direction privilégiée centrée sur la trajectoire de l'électron : le rayonnement Cherenkov, qui peut être détecté par la multitude de détecteurs photomultiplicateurs qui tapissent les parois de l'énorme cuve de 39,3 m de diamètre et 41 m de hauteur.

La détection des antineutrinos est fondée elle sur une autre réaction, il ne s'agit plus d'une collision avec un électron, mais d'une réaction avec les protons qui forment les noyaux d'hydrogène ou d'oxygène. Le proton absorbe l'antineutrino électronique et se transforme en neutron, en libérant un positron (antiélectron). Le positron va à son tour produire un rayonnement Cerenkov détectable par les photomultiplicateurs. Mais ce signal est très difficilement distinguable de celui induit par un neutrino solaire et atmosphérique. Heureusement, cette réaction voit également apparaître un neutron, et qui dit neutron dans l'eau, dit ralentissement suivi d'une capture radiative... Le noyau d'hydrogène a en effet une probabilité non nulle de capturer le neutron pour former du deutérium en émettant simultanément un photon gamma de 2,22 MeV, qui peut créer à son tour des électrons et des positrons détectables. Mais comme le neutron met un peu de temps avant de ralentir suffisamment pour être capturé, le petit flash qu'il produit indirectement est décalé temporellement par rapport au flash initial engendré par le premier positron (de quelques microsecondes). Un antineutrino de supernova doit donc produire un double flash de lumière Cerenkov alors qu'un neutrino du Soleil doit produire un seul flash.

Sur le papier, ça marche, mais dans la réalité, le deuxième flash est très difficile à voir car il est beaucoup plus faible que le premier. C'est en voulant remédier à cette limitation que les physiciens américains John Beacom, (Ohio State University, Columbus) et Mark Vagins (Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe, Kashiwa) ont eu l'idée d'ajouter dans l'eau de Super-K un élément qui pourrait capturer beaucoup plus facilement les neutrons en émettant beaucoup plus photons gamma. Quoi de mieux que le gadolinium pour capturer des neutrons ? Rien. Les isotopes gadolinium-155 et gadolinium-157 sont en effet les noyaux atomiques qui possèdent les plus grosses sections efficaces de capture neutronique thermique (neutrons ralentis) que l'on connaisse (respectivement 60 000 et 240 000 barns, alors que l'hydrogène n'a qu'une section efficace de capture neutronique de 0,33 barns. Qui plus est, les noyaux de gadolinium émettent une foultitude de photons gamma en cascade au moment de leur capture d'un neutron, avec des photons qui peuvent atteindre 6,75 MeV dans le cas du gadolinium-157. Le gadolinium est donc un neutrophage très prisé mais aussi un moyen très efficace pour détecter des neutrons. Beacom et Vagins ont eu l'idée d'ajouter du gadolinium dans l'eau de Super-Kamiokande au début des années 2000, mais il y avait de nombreuses réticences. Le plus gros challenge était de pouvoir filtrer l'eau de la cuve du détecteur sans enlever le gadolinium au passage. 

Il aura fallu près de 10 ans d'efforts pour montrer que c'était possible, notamment en construisant un détecteur de neutrinos miniature pour en faire la démonstration. Et c'est en 2015 que la collaboration Super-Kamiokande fut convaincue que ça marcherait et accepta de mettre en oeuvre ce concept lors de la mise à niveau suivante du détecteur, celle qui vient d'être faite.

Les chercheurs américains ont nommé pour rire cette mise à niveau Gadolinium Antineutrino Detector Zealously Outperforming Old Kamiokande, Super! (GADZOOKS!), un clin d’œil pour les connaisseurs de comics...
Avec cette "upgrade", les astrophysiciens estiment qu'ils pourront détecter quelques neutrinos de supernovas par mois. Ce n'est pas beaucoup mais bien mieux que rien du tout... 
Super-Kamiokande a déjà de superbes succès à son actif. C'est avec Super-K qu'en 1998 avait été solidement mise en évidence l'existence d'une oscillation entre saveurs de neutrinos et d'antineutrinos (prix Nobel 2015 pour Takaaki Kajita) et il a jusqu'à récemment poursuivi des mesures d'oscillométrie avec l'expérience T2K (Tokai To Kamioka) montrant des premiers signes d'asymétrie entre neutrinos et antineutrinos lors de leurs oscillations, avec des implications considérables si ils se confirment, comme un début d'explication de l'asymétrie matière/antimatière dans l'Univers (et donc encore un Nobel en perspective).
Mais les physiciens japonais voient déjà plus grand. Après Kamiokande et Super-Kamiokande, voilà venir Hyper-Kamiokande (Hyper-K) ! Le volume du détecteur serait multiplié par 5 pour atteindre 260 000 tonnes d'eau, bien sûr toujours dopée au gadolinium, de quoi détecter toujours plus de neutrinos de supernovas et améliorer grandement la précision des mesures d'oscillométrie.

Hyper-K pourrait débuter ses opérations en 2027 après une construction de 6 ans. La proposition est actuellement entre les mains du gouvernement japonais qui doit rendre une décision au mois d'août prochain...


Source 

Gigantic Japanese detector prepares to catch neutrinos from supernovae
Davide Castelvecchi
Nature 566, 438-439 (27 february 2019)


Illustrations

1) Intérieur de la cuve de Super Kamiokande vidée. Les parois sont tapissées de détecteurs de lumière (Asahi Shimbun/Getty)

2) Enregistrement papier des neutrinos détectés le 23 février 1987 par Kamiokande (le temps s'écoule de la droite vers la gauche), le pic correspond à la supernova SN1987A (Université de Tokyo)

3) Schéma du principe de la détection des neutrons pour fournir 2 signaux de lumière Cherenkov lors de l'interaction d'un antineutrino électronique (Université de Tokyo)