Super-Kamiokande
Super-Kamiokande est un détecteur de neutrinos situé dans la préfecture de Gifu, au Japon, à 1 000 mètres sous le mont Ikeno. C'est avec lui qu'a été obtenue en 1998 la première mise en évidence solide de l'oscillation des neutrinos — et, par là même, la preuve que les neutrinos possèdent une masse.
Le dispositif
La cuve est un cylindre de 39 mètres de diamètre et de 42 mètres de hauteur, remplie de 50 000 tonnes d'une eau extraordinairement pure. Les parois portent plus de onze mille photomultiplicateurs d'un demi-mètre de diamètre chacun — les plus grands jamais construits en série.
Le principe de détection est le rayonnement Tcherenkov. Lorsqu'un neutrino frappe un électron ou un noyau atomique, une particule chargée apparaît. Si celle-ci se déplace plus vite que la lumière dans l'eau — ce qui est permis, car la lumière y est plus lente que dans le vide —, elle traîne derrière elle un cône lumineux, semblable à la vague d'étrave d'un navire.
Sur la paroi de la cuve, ce cône dessine un anneau. Sa position donne la direction, sa luminosité l'énergie, et sa netteté la nature de la particule : un électron se diffuse en chemin et produit un anneau flou, un muon file tout droit et en produit un net. C'est précisément cette distinction qui a été décisive pour la découverte de 1998.
La roche au-dessus équivaut à 2 700 mètres d'eau et arrête la plus grande partie des muons cosmiques.
La découverte de 1998
Le détecteur est entré en service en avril 1996. Deux ans plus tard, Takaaki Kajita a présenté le résultat qui a rendu l'installation célèbre.
Les neutrinos atmosphériques arrivent de toutes les directions — d'en haut après 15 kilomètres de parcours, d'en bas après 13 000 kilomètres à travers la Terre. Super-Kamiokande a trouvé d'en haut le nombre attendu de neutrinos muoniques, mais d'en bas la moitié environ seulement. Les neutrinos électroniques ne montraient aucun déficit de ce genre.
La dépendance à l'angle d'incidence était la preuve véritable. Un défaut du détecteur aurait agi de la même manière en haut comme en bas ; une transformation qui dépend de la longueur du trajet agit exactement ainsi.
L'accident de 2001
Le 12 novembre 2001, alors que la cuve était de nouveau remplie après des travaux d'entretien, l'un des tubes photomultiplicateurs a implosé dans les profondeurs. L'onde de choc a entraîné le suivant, puis celui d'après. En quelques secondes, une réaction en chaîne a détruit environ 6 600 des onze mille tubes.
Le dommage se chiffrait en plusieurs millions de dollars et aurait pu signifier la fin de l'entreprise. La collaboration a redistribué les tubes restants sur l'ensemble de la cuve et a repris l'exploitation à demi-occupation en moins d'un an. En 2006, la totalité du parc était remplacée — et chaque tube porte depuis lors une enveloppe de protection en acrylique et en fibre de verre, afin qu'un tel effet domino ne puisse se reproduire.
Ce que le détecteur accomplit par ailleurs
Neutrinos solaires. À la différence des procédés radiochimiques, Super-Kamiokande mesure en temps réel et avec indication de direction. Les neutrinos proviennent manifestement de la direction du Soleil.
Expériences sur faisceau. Depuis 2010, l'installation est le point d'arrivée de T2K — un faisceau de neutrinos venu de Tokai, à 295 kilomètres de là. C'est ainsi qu'a pu être mise en évidence pour la première fois, en 2013, l'apparition de neutrinos électroniques dans un faisceau de neutrinos muoniques.
Désintégration du proton. La question initiale du détecteur précédent continue d'être poursuivie. Rien n'a été trouvé ; la limite inférieure de la durée de vie du proton se situe désormais au-delà de 10³⁴ années.
Veille supernova. Si une étoile explose dans notre galaxie, le détecteur recueillerait des milliers de neutrinos. Il fait partie d'un réseau mondial d'alerte précoce destiné aux astronomes.
Gadolinium
Depuis 2020, du gadolinium est ajouté à l'eau. Cet élément capture les neutrons et émet ce faisant un signal lumineux caractéristique.
Le gain est considérable : la désintégration bêta inverse peut ainsi être reconnue au double signal et un antineutrino distingué avec certitude d'un neutrino. Cela ouvre la recherche du fond diffus de neutrinos de supernova — la somme de toutes les explosions stellaires de l'histoire de l'Univers.
Succession
Hyper-Kamiokande est actuellement en construction et doit contenir environ huit fois plus, avec quelque 258 000 tonnes d'eau. Super-Kamiokande lui-même reste en service.
Notions liées
- Takaaki Kajita — la découverte de 1998
- Masatoshi Koshiba — le détecteur précédent
- Rayonnement Tcherenkov — le principe de détection
- T2K — le faisceau venu de Tokai
- Hyper-Kamiokande — le successeur
Sources
- Collaboration Super-Kamiokande (Y. Fukuda et al.) : Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos, Physical Review Letters 81, 1562 (1998).
- Collaboration Super-Kamiokande : First gadolinium loading to Super-Kamiokande, Nuclear Instruments and Methods A 1027, 166248 (2022).