DUNE

Vue intérieure du prototype de DUNE, ProtoDUNE-VD, au CERN — et non le détecteur du Dakota du Sud.
Vue intérieure du prototype de DUNE, ProtoDUNE-VD, au CERN — et non le détecteur du Dakota du Sud.Photo : Abitowlish, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons

DUNE — Deep Underground Neutrino Experiment — est le plus grand projet consacré aux neutrinos actuellement en construction. Un faisceau parti du Fermilab, près de Chicago, doit être envoyé à 1 300 kilomètres de là, dans le Dakota du Sud, et y être reçu dans une ancienne mine d'or.

L'installation

Au Fermilab naît, avec LBNF, une nouvelle installation de faisceau. Elle doit d'abord fonctionner à 1,2 mégawatt et être portée plus tard à plus du double — ce serait le faisceau de neutrinos le plus intense du monde. Un complexe de détecteurs proches y mesure ce qui est envoyé.

Le détecteur lointain se trouve à 1 480 mètres de profondeur dans la Sanford Underground Research Facility à Lead, dans le Dakota du Sud — dans les mêmes galeries où Raymond Davis exploitait autrefois l'expérience Homestake. Plus de 800 000 tonnes de roche ont été extraites pour les cavernes ; le creusement s'est achevé en 2024.

Quatre modules sont prévus, contenant chacun environ 17 000 tonnes d'argon liquide, refroidi à environ moins 186 degrés Celsius.

Pourquoi l'argon liquide

Les détecteurs antérieurs comme MINOS étaient faits d'acier et de scintillateur. Ils ne voient au fond que le trajet d'un muon — une trace, une direction, une énergie.

Une chambre à projection temporelle remplie d'argon liquide fait davantage. Lorsqu'une particule chargée traverse l'argon, elle y laisse une traînée d'électrons libres. Un champ électrique attire ceux-ci sur plusieurs mètres vers un plan de fils. À partir du lieu sur ce plan et du temps d'arrivée, on reconstruit la trajectoire en trois dimensions — avec une résolution de l'ordre du millimètre.

Le résultat ressemble à une photographie de l'événement. On reconnaît non seulement que quelque chose s'est produit, mais aussi quelles particules y ont pris part et comment elles se sont ramifiées.

Le prix à payer, c'est la pureté : des traces d'oxygène suffisent déjà à capturer les électrons en dérive. L'argon doit être maintenu propre à quelques parties par billion près.

Les trois questions

Les neutrinos violent-ils la symétrie CP ? Si les neutrinos et les antineutrinos se comportaient différemment, ce serait un élément d'explication de la présence de matière dans l'univers. T2K a livré de premiers indices ; DUNE doit trancher la question.

La longueur du trajet n'est pas ici une fin en soi. Sur 1 300 kilomètres, l'effet MSW agit assez fortement pour que sa contribution puisse être proprement séparée de la violation CP recherchée — sur des distances plus courtes, les deux influences se mêlent.

Quelle masse de neutrino est la plus grande ? Le même effet répond du même coup à la question de l'ordre des masses des neutrinos.

Le proton se désintègre-t-il ? Les théories de grande unification prédisent une désintégration du proton extrêmement rare. L'argon liquide est plus sensible que l'eau à certains canaux de désintégration, raison pour laquelle DUNE et Hyper-Kamiokande se complètent sur ce point.

S'y ajoute une disponibilité qui ne se planifie pas : si une supernova explose dans notre galaxie, DUNE en capterait des milliers de neutrinos — et de préférence des neutrinos électroniques, que les détecteurs à eau voient moins bien. Les deux types d'installation réunis donneraient une image plus complète de l'effondrement du cœur que chacun pris isolément.

État des travaux

Les cavernes sont creusées, le montage des premiers modules est en cours. Au CERN, le prototype ProtoDUNE a éprouvé la technique à l'échelle de plusieurs centaines de tonnes — avec deux formes différentes de chambre de dérive, dont chacune sera mise en œuvre dans l'un des deux premiers modules.

Selon la planification actuelle, les mesures doivent commencer vers la fin de cette décennie. Pour des projets de cette taille, l'expérience montre que les échéances se décalent. La collaboration compte plus de 1 400 chercheuses et chercheurs de plus de 30 pays.

Termes associés

Sources

  • Collaboration DUNE : Long-baseline neutrino oscillation physics potential of the DUNE experiment, European Physical Journal C 80, 978 (2020).
  • Fermilab : LBNF/DUNE — description du projet et état des travaux.