Le détecteur de neutrinos ultra-large chinois a commencé ses opérations de recherche de « particules fantômes »

(Photo/Xinhua)

Le plus grand détecteur sphérique transparent au monde a commencé à fonctionner le 26 août en Chine, ce qui en fait la première installation scientifique ultra-large opérationnelle au monde dédiée à la recherche sur les neutrinos avec une précision ultra-élevée.

Après avoir terminé le remplissage de son détecteur de scintillateurs liquide de 20 000 tonnes, l'Observatoire de neutrinos souterrains du Jiangmen (JUNO), dans la province du Guangdong (sud de la Chine), a commencé à prendre des données après plus d'une décennie de préparation et de construction. Les données initiales prises lors d'une opération d'essai ont montré que les indicateurs de performance clés répondaient ou dépassaient les attentes de conception. Ce succès positionne JUNO pour répondre à l'une des principales questions de la physique des particules de cette décennie : l'ordre des masses de neutrinos.

« Compléter le remplissage du détecteur JUNO et le démarrage des données établissent un jalon historique. Pour la première fois, nous avons mis en service un détecteur de cette échelle et de cette précision dédiée aux neutrinos. JUNO nous permettra de répondre aux questions fondamentales sur la nature de la matière et de l'univers », a déclaré Wang Yifang, porte-parole de JUNO et chercheur à l'Institut de physique de haute énergie (IHEP) de l'Académie des sciences de Chine (CAS).

Étant donné que les neutrinos interagissent rarement avec la matière ordinaire, ils peuvent facilement traverser notre corps, nos bâtiments ou même la terre entière sans être ressentis, ce qui leur a valu le surnom de « particules fantômes ». En raison de leur nature insaisissable, les neutrinos sont les particules fondamentales les moins comprises, nécessitant des détecteurs massifs pour capturer leurs traces les plus faibles. Lors du passage du détecteur, les neutrinos ont une petite chance de percuter les noyaux d'hydrogène dans le liquide, déclenchant des flashs extrêmement légers, qui peuvent être détectés par les tubes photo-multiplicateurs entourés (PMT), puis convertis en signaux électriques.

Situé à 700 mètres sous terre près de Jiangmen, dans la province du Guangdong (sud de la Chine), JUNO détecte les antineutrinos produits par les centrales nucléaires de Taishan et Yangjiang, toutes deux situées à 53 kilomètres, et mesure leur spectre d'énergie avec une précision record. Contrairement à d'autres approches, la détermination par JUNO de l'ordre de masse est indépendante des effets de la matière sur la terre et largement exempt de dégénérescences que l'on voit avec d'autres paramètres d'oscillation des neutrinos.

Selon l'IHEP, JUNO permettra également des études de pointe des neutrinos du soleil, des supernovæ, de l'atmosphère et de la terre. Il ouvrira de nouvelles fenêtres pour explorer la physique inconnue, y compris les recherches de neutrinos stériles et de désintégration des protons.

Proposé en 2008 et approuvé par la CAS et la province du Guangdong en 2013, la construction souterraine de JUNO a commencé en 2015. L'installation du détecteur a commencé en décembre 2021 et a été achevée en décembre 2024, suivie de la procédure de remplissage avec de l'eau ultra-pure et du scintillateur liquide.

Au cœur de JUNO se trouve un détecteur de scintillateur liquide avec une masse sans précédent de 20 000 tonnes, logée au centre d'une piscine d'eau de 44 mètres de profondeur. Une ferme en acier inoxydable de 41,1 mètres de diamètre accueille la sphère acrylique de 35,4 mètres de diamètre, le scintillateur liquide, plus de 45 000 PMT et de nombreux autres composants clés tels que des câbles, des bobines de blindage magnétique et des chicanes légères.

« La construction de JUNO a été un voyage de défis extraordinaires. Il a exigé non seulement de nouvelles idées et technologies, mais aussi des années de planification, de tests et de persévérance minutieux », a souligné Ma Xiaoyan, ingénieure en chef de JUNO, ajoutant que la satisfaction des exigences strictes de pureté, de stabilité et de sécurité a nécessité des centaines d'ingénieurs et de techniciens. Leur travail d'équipe et leur intégrité ont transformé une conception audacieuse en un détecteur fonctionnel, qui est maintenant prêt à ouvrir une nouvelle fenêtre dans le monde des neutrinos », a-t-elle ajouté.

Selon l'IHEP, JUNO est hébergé par l'institut et implique plus de 700 chercheurs de 74 institutions dans 17 pays et régions.

« La réalisation historique que nous annonçons aujourd'hui est également le résultat de la coopération internationale fructueuse assurée par de nombreux groupes de recherche en dehors de la Chine, en apportant à JUNO leur expertise des précédentes configurations de scintillateur liquide », a de son côté noté Gioacchino Ranucci, professeur à l'Université de Milan et à l'Institut national de physique nucléaire italien. « La communauté mondiale de liquide-scitillateur a poussé la technologie à sa frontière ultime, ouvrant le chemin vers les objectifs de physique ambitieux de l'expérience », a ajouté M. Ranucci, également porte-parole adjoint de JUNO.

Selon l'IHEP, JUNO est conçu pour avoir une durée de vie scientifique allant jusqu'à 30 ans. Il peut être mis à niveau et devenir une installation de recherche de pointe qui sonde l'échelle de masse de neutrinos absolus et établir si les neutrinos sont des particules de Majorana - des particules identiques à leurs propres antiparticules. Il abordera par ailleurs des questions fondamentales à travers la physique des particules, l'astrophysique et la cosmologie, façonnant profondément notre compréhension de l'univers.