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P-One, pour Pacific Ocean Neutrino Experiment, est un projet scientifique d’envergure qui vise à détecter les neutrinos produits aux confins de l’Univers, depuis le fond de l’océan Pacifique. Ce projet, auquel collaborent des chercheurs du Canada, d’Allemagne, du Royaume-Uni, de la Pologne et des États-Unis, a franchi une première étape en juin dernier, une étape essentielle de vérification avant l’installation des premiers composants du télescope cet automne sur le fond marin, à 2,6 kilomètres de profondeur.

Les neutrinos sont des particules élémentaires (subatomiques) qui traversent l’Univers à très grande vitesse. On les qualifie souvent de particules fantômes, car elles sont neutres (sans charge électrique), extrêmement légères (elles ont une masse quasi nulle) et elles n’interagissent que très peu avec la matière. Nous sommes constamment traversés par des centaines de milliards de neutrinos sans en être affectés. Ces caractéristiques font que ces particules sont très difficiles à détecter.

Les neutrinos sont produits dans le Soleil par fusion nucléaire, par des phénomènes cosmiques hautement énergétiques, comme des supernovæ (explosion d’une étoile en fin de vie) ou des trous noirs supermassifs.

Et comme ils interagissent très peu avec la matière qu’ils rencontrent, les neutrinos peuvent voyager depuis les confins de l’Univers où ils ont été produits jusqu’à nous sans être déviés, nous apportant ainsi des informations sur des régions de l’Univers très distantes et très énergétiques que nos télescopes astronomiques ne peuvent souvent pas voir. Ils représentent ainsi une nouvelle façon d’observer l’Univers, une façon différente de celle des télescopes que l’on connaît depuis des siècles, qui, eux, détectent les photons de différentes longueurs d’onde. C’est pourquoi on parle de P-One comme d’un télescope à neutrinos.

Le Canada héberge déjà un observatoire de neutrinos, SNOLab, situé dans le fond d’une mine à Sudbury, en Ontario. Mais SNOLab détecte des neutrinos de basse énergie produits par le Soleil, qui sont très abondants.

P-One vise quant à lui à détecter des neutrinos qui sont des millions de fois plus énergétiques. Très rares, ces neutrinos qui proviennent de l’Univers plus lointain sont donc beaucoup plus difficiles à intercepter. « Il faut de très grands détecteurs pour augmenter nos chances de les détecter. Et la seule façon d’obtenir un détecteur d’une dimension suffisante consistait à l’aménager dans l’océan », fait remarquer Matthias Danninger, professeur de physique à l’Université Simon Fraser, en Colombie-Britannique, et porte-parole du projet P-One.

Trois « saveurs » de neutrinos

À terme, P-One se composera d’au moins 70 câbles d’un kilomètre de longueur ancrés dans le plancher océanique, à 2,6 kilomètres de profondeur. L’ensemble de ces 70 câbles, qui seront espacés de 80 mètres, couvrira un volume d’un kilomètre cube.

À l’autre extrémité des câbles sera attachée une bouée qui les maintiendra en position verticale. Le long de ces câbles seront disposées, à des intervalles de 50 mètres, des sphères de la taille d’un ballon de plage constituées d’un verre épais capable de résister aux fortes pressions du fond marin. Ces sphères contiendront notamment des détecteurs de lumière ultrasensibles.

Configuration du détecteur sous-marin de neutrinos P-One qui se composera de 70 câbles d’un kilomètre de longueur qui seront ancrés au fond de l’océan et seront espacés de 80 mètres. À leur extrémité supérieure, les câbles seront coiffés d’une bouée qui les maintiendra en position verticale. Le long de ces câbles sont disposées des sphères contenant entre autres des détecteurs de lumière. L’ensemble couvrira un volume d’un kilomètre cube. E. Resconi TUM

En fait, les neutrinos sont détectés par le biais de la lumière qui est émise à la suite de leur collision avec la matière. Cela survient lorsqu’un neutrino à haute énergie frappe un atome d’une molécule d’eau. « Avec son niveau d’énergie très élevé, le neutrino ne rebondit pas, il interagit avec le cœur du noyau de l’atome. Et quand cette interaction a lieu, il y a production d’un lepton [famille de particules élémentaires regroupant les électrons, les muons et les tauons], explique le physicien. Le type de lepton qui est produit (soit un électron, un muon ou un tauon) dépend du type — appelé saveur — de neutrino qui a frappé le noyau. »

Les neutrinos qui arrivent de très loin peuvent être de trois « saveurs » différentes : électronique, muonique ou tauique. Et quand ils interagissent avec un noyau d’atome, selon la saveur de neutrino dont il s’agit, il y aura création d’un électron, d’un muon ou d’un tauon.

Comme ces particules se déplacent plus vite que la vitesse de la lumière dans l’eau (qui est inférieure à celle dans le vide), elles émettent une lumière caractéristique. Ce phénomène optique, appelé « effet Cherenkov », est l’équivalent du bang supersonique qui survient lorsqu’un avion dépasse la vitesse du son, détaille M. Danninger.

Or, on peut connaître la saveur du neutrino qui a été intercepté à partir des caractéristiques de cette lumière. « Nous ne voyons pas les neutrinos eux-mêmes, mais la lumière émise par les leptons. Nos capteurs détectent la quantité de lumière émise et sa durée [qui correspondent à l’énergie de la particule], le moment exact où elle a été détectée et la forme de son émission : autant d’informations qui permettent de déduire de quel type de particule il s’agit », explique le physicien.

Un muon laissera tout au long de sa course en ligne droite une très longue traînée lumineuse, « comme un canard qui, lorsqu’il nage sur un lac, génère derrière lui des vagues qui, en s’élargissant, épousent une forme triangulaire », cite à titre d’exemple le professeur. Par contre, un électron, beaucoup plus léger, ne se déplace pas autant qu’un muon, mais comme il est très énergétique, il émet beaucoup de lumière sous la forme d’une sphère.

« Et comme le neutrino muonique est très chargé en énergie, le muon qu’il produit se déplacera dans la même direction que lui. Et cette direction nous indiquera d’où vient ce neutrino qui a voyagé, imperturbable et en ligne droite, sur de longues distances. Cette direction peut nous indiquer de quel objet très énergétique et éloigné dans l’Univers il provient, comme un trou noir supermassif ou une étoile en explosion. Tout comme les astronomes, nous pourrons ainsi observer ces objets ! » poursuit le chercheur.

En juin dernier, un câble équipé de ses sphères et de toute l’électronique requise a été descendu à quelques mètres de profondeur dans l’océan Pacifique. « Cette manipulation visait à vérifier que tout fonctionnait correctement sous l’eau avant de procéder à l’installation définitive de l’ensemble des câbles au large de l’île de Vancouver », affirme M. Danninger.

Cet automne, on descendra un premier câble jusqu’au plancher océanique, où on le branchera au réseau de l’observatoire Neptune de l’Ocean Networks Canada (ONC), qui surveille les conditions de l’eau, la faune et la géologie du Pacifique. Ce réseau, qui repose sur le fond marin de l’océan Pacifique depuis 2009, se compose de plus de 800 km de câbles transportant du courant électrique et de lignes de communication par fibre optique. Ce réseau fournira donc une alimentation électrique continue et une connexion Internet aux capteurs et aux autres instruments de P-One. « Les données recueillies par les différents dispositifs de P-One seront ainsi transmises par l’ONC à l’Alliance de recherche numérique du Canada, qui est une infrastructure de recherche qui hébergera les données. Celles-ci pourront ensuite être distribuées aux différents collaborateurs du projet », souligne M. Danninger, qui coordonne cette collaboration scientifique internationale à laquelle participent les universités canadiennes Simon Fraser, Victoria, de l’Alberta et Queens.