Le réacteur de Daya Bay met fin à une expérience après 9 ans de recherche sur le puzzle universel

Des scientifiques chinois ont mis hors service l'expérience de neutrinos du réacteur Daya Bay à Shenzhen, dans la province du Guangdong (sud de la Chine), faisant leurs adieux à un instrument scientifique majeur à l'origine de l'une des plus grandes découvertes chinoises en physique qui pourrait aider à expliquer pourquoi l'univers est tel qu'il est.

Une cérémonie de fin de mission a eu lieu le 12 décembre dans l'établissement, qui a été conçu pour la première fois en 2003. Lancé en 2011, l'instrument a terminé toutes ses missions de recherche et produit des données précieuses avec une précision sans précédent.

Le détecteur de neutrinos de nouvelle génération de Chine -l'Observatoire souterrain de neutrinos de Jiangmen, ou JUNO- est en cours de construction à 700 mètres sous terre à Jiangmen, dans la province du Guangdong. L'instrument, d'une valeur de 2 milliards de yuans (305,3 millions de dollars) devrait être achevé vers 2022, avec environ 680 chercheurs de 18 pays et régions participant au projet.

Des invités regardent quatre détecteurs de neutrinos lors de l'expérience de neutrinos du réacteur de Daya Bay à Shenzhen, dans la province du Guangdong (sud de la Chine), lors d'une cérémonie de mise hors service le 12 décembre 2020. (Photo / Xinhua)

La nouvelle machine aura pour mission de détecter et à mesurer les neutrinos avec une précision et une résolution d'énergie sans précédent, dans l'espoir de découvrir plus d'informations sur leur masse, comment ils peuvent changer d'identité en plein vol dans un processus appelé oscillations et résoudre plus de mystères sur la particule élémentaire perplexe, qui est à la fois extrêmement abondante et difficile à repérer.

Les avancées technologiques qui ont rendu possible l'observation peuvent également bénéficier à la société et aux industries sous la forme de détecteurs de lumière ultrasensibles, de nouvelles techniques de fabrication et de normes pour l'acier et le verre à haute performance et une eau ultra-propre pour l'industrie des semi-conducteurs.

« L'expérience sur les neutrinos du réacteur Daya Bay a jeté les bases de la coopération internationale de la Chine dans le domaine de la physique des particules liées aux neutrinos et a ouvert les bases théoriques de la construction de nouveaux observatoires de neutrinos en Chine et dans le monde », a déclaré Wang Yifang, directeur de l'Institut de physique des hautes énergies à l'Académie chinoise des sciences.

Un employé vérifie les quatre détecteurs de neutrinos lors de l'expérience de neutrinos du réacteur de Daya Bay à Shenzhen, dans la province du Guangdong (sud de la Chine), lors d'une cérémonie de mise hors service le 12 décembre 2020. (Photo / Xinhua)

Un neutrino est une particule subatomique produite par désintégration radioactive, un processus couramment trouvé dans les réactions nucléaires de notre soleil ou dans les centrales nucléaires. Il ne porte aucune charge électrique et a une masse minuscule, au moins un million de fois plus petite qu'un électron, a expliqué M. Wang, « pourtant c'est un élément fondamental de notre réalité physique ». Ces propriétés, a-t-il ajouté, permettent aux neutrinos de pénétrer dans la plupart des matières et d'interagir rarement avec l'une d'entre elles, même pas avec la lumière. Par conséquent, la particule ne peut pas être ressentie ou vue malgré des milliers de milliards d'entre elles traversant notre corps à une vitesse proche de la lumière chaque seconde. Par conséquent, le neutrino est également appelé avec humour par les scientifiques la « particule fantôme ».

Ce qui est plus déroutant à propos de la particule, c'est que depuis sa découverte en 1956, les scientifiques ont trouvé trois types différents, ou « saveurs », de neutrinos qui peuvent se transformer les uns en les autres lorsqu'ils voyagent dans l'espace. Après des décennies d'expériences, les scientifiques avaient mesuré deux des trois « angles de mélange » qui, grossièrement, décrivent le degré auquel une saveur peut se mélanger à une autre.

L'angle de mélange final a été déterminé par l'équipe internationale de chercheurs de l'expérience de neutrinos du réacteur Daya Bay en 2012. La découverte a ouvert la porte à la recherche d'une légère asymétrie entre les neutrinos et les anti-neutrinos, l'image miroir des neutrinos de même masse et sans charge, mais avec une chiralité opposée.

Lorsqu'une particule et son antiparticule entrent en collision, elles s'annihilent généralement et libèrent de l'énergie, selon la revue Science. Les scientifiques ont émis l'hypothèse qu'il devrait y avoir une quantité égale de particules et d'antiparticules produites peu de temps après le Big Bang, mais pour des raisons inconnues, l'univers a évolué pour avoir beaucoup plus de matière que d'antimatière.

Les résultats ont constitué une onde de choc dans la communauté mondiale de la physique, la revue Science les saluant comme l'une des plus grandes percées en 2012. Lee Tsung-Dao, lauréat du prix Nobel de physique, a déclaré dans une lettre de félicitations qu'il s'agissait d'une réalisation majeure en physique avec une importance clé pour la recherche fondamentale.

« Bien qu'il y ait eu de nombreuses percées dans notre compréhension des neutrinos au cours des dernières décennies, il reste encore de nombreuses questions sans réponse », a déclaré M. Wang. « Répondre à ces questions pourrait changer fondamentalement la façon dont nous comprenons la physique des particules et l'évolution de l'univers ».

Voir l'invisible

Détecter quelque chose d'aussi insaisissable qu'un neutrino nécessite une ingénierie extraordinaire, à la limite de la science-fiction, et les physiciens décrivent souvent de tels projets comme des mesures de précision extrême à une échelle extrême.

Un exemple notable est le détecteur Super Kamiokande, situé à 1 000 mètres sous terre à l'intérieur du mont Ikenoyama au Japon, qui a été lancé en 1996. Il comprend un réservoir en acier inoxydable de 15 étages contenant 50 000 tonnes d'eau ultrapure, qui est surveillé par environ 13 000 ampoules en verre photomultiplicateur, chacune d'un demi-mètre de diamètre, installées sur la paroi du réservoir.

L'installation est construite sous terre pour éliminer les interférences d'autres particules. Lorsqu'un neutrino de haute énergie entre en collision avec le noyau atomique de l'eau, les détecteurs enregistrent une faible lumière connue sous le nom de rayonnement Cherenkov, signalant qu'un neutrino a été trouvé. Mais même avec ce degré d'ingénierie, l'identification d'un neutrino est encore extrêmement rare.

JUNO utilisera un design tout aussi impressionnant. Son détecteur central sera constitué d'une sphère acrylique transparente de 35,4 mètres de diamètre et 12 centimètres d'épaisseur, la plus grande du genre au monde, contenant 20 000 tonnes de scintillateur liquide, une solution qui présente des éclairs de lumière lorsqu'elle est excitée par des rayonnements ionisants.

La sphère sera immergée dans un réservoir contenant 30 000 tonnes d'eau ultrapure et sera entourée de dizaines de milliers de détecteurs. La grotte pour contenir tous les instruments devra mesurer 50 mètres de diamètre et 70 mètres de hauteur.

On espère que JUNO en découvrira plus sur les masses de neutrinos, y compris leur ordre, a noté M. Wang. Il pourra également mesurer les trois types d'oscillations de neutrinos avec une plus grande précision. « Pendant longtemps, les physiciens ont pensé que les neutrinos n'avaient pas de masse, mais si tel est le cas, alors l'univers ne peut pas former la structure telle qu'elle est aujourd'hui », a-t-il souligné. « C'est à cause des neutrinos que nous existons ».

Selon M. Wang, JUNO devrait faire de la Chine l'un des pionniers mondiaux de la technologie de recherche sur les neutrinos, comparable uniquement à l'expérience des neutrinos souterrains profonds des États-Unis et à Hyper-Kamiokande au Japon, qui devraient tous deux être opérationnels en 2027.

« JUNO complètera les autres observatoires de neutrinos tant dans leurs objectifs de mission que dans leur calendrier », a-t-il déclaré. Dans le passé, les scientifiques chinois ont souvent participé à de grandes expériences scientifiques hébergées par d'autres pays, mais ils sont désormais capables de lancer, d'organiser et de gérer de grands projets scientifiques susceptibles d'attirer une participation mondiale, ce qui en dit long sur le développement scientifique de la Chine, a-t-il ajouté.

Cependant, a indiqué M. Wang, il est difficile de prédire quand la prochaine grande découverte aura lieu car les neutrinos interagissent rarement avec quoi que ce soit et sont si difficiles à détecter. « Cela suppose pas mal de chance », a-t-il dit.

Au cours de sa durée de vie opérationnelle estimée à 30 ans, JUNO espère enregistrer une explosion de supernova dans notre galaxie, qui ne se produit qu'une fois par siècle environ. Une supernova est l'explosion d'une étoile massive à la fin de sa vie et est capable de libérer plus d'énergie que la production totale du soleil en 10 milliards d'années, ce qui en fait l'un des événements les plus brillants et les plus puissants de l'univers.

« Environ 99% de l'énergie de la supernova est libérée sous forme de neutrinos en une douzaine de secondes, dont certains apparaîtront sur nos détecteurs comme une rafale d'événements », a déclaré M. Wang. « Cela nous donnera plus d'opportunités d'étudier le mécanisme d'explosion des supernovae et conduira potentiellement à de nouvelles découvertes sur le cosmos ».