KM3NeT

Une première version de détecteur, baptisé ARCA, installé au large de la Sicile, est destinée à la recherche de neutrinos de grande énergie provenant de cataclysmes de l’Univers tels que des supernovæ ou la formation et l’évolution de trous noirs. Un second détecteur, baptisé ORCA, est en construction au large de Toulon. Il permettra une détermination de la hiérarchie de masse des neutrinos, en étudiant précisément le flux des neutrinos atmosphériques traversant la Terre.

Le détecteur est installé à 2 500 mètres de profondeur au large de La Seyne-sur-Mer. Il prend la forme d'un ensemble de lignes dont chacune s'étend sur 200 mètres, avec 18 modules optiques étendus tous les 10 mètres. Il est composé d'une ancre d'environ une tonne et d'une bouée permettant de maintenir la ligne verticale.

Afin de transmettre les données du fond de la Mer jusqu'à la terre ferme, le télescope utilise un câble en fibre optique.

Notre ciel a toujours été observé à l’aide des photons à des énergies très différentes allant des ondes radios aux rayons gamma. L’utilisation d’une autre particule pour observer le ciel permettrait d’ouvrir une nouvelle fenêtre sur l’Univers. Le neutrino est pour cela un parfait candidat :

• il est stable et ne risque pas de se désintégrer au cours de son parcours ;

• il est neutre et n’est donc pas dévié par les champs magnétiques. Il est donc possible de localiser approximativement la direction de sa source ;
• il possède une très faible section efficace d’interaction et peut ainsi s’extirper des zones denses de l’univers comme les abords d’un trou noir ou le cœur des phénomènes cataclysmiques (il faut préciser que les photons que nous observons des objets célestes ne nous proviennent que de la surface des objets et non pas du cœur) ;

• il n’interagit que par interaction faible et transporte ainsi des informations sur les phénomènes nucléaires des sources, contrairement au photon qui est issu de processus électromagnétiques.

Un des principes possibles pour un tel télescope est d’utiliser la Terre comme cible permettant d’arrêter les neutrinos astrophysiques. Lorsqu'un neutrino muonique traverse la Terre, il a une faible chance d’interagir et ainsi d’engendrer un muon. Ce muon, s’il a une énergie au-delà d’une centaine de GeV, est aligné avec le neutrino et se propage sur une dizaine de kilomètres dans la Terre. S’il a été créé dans la croûte terrestre, il va pouvoir sortir de la Terre et se propager dans la mer où seraient installés les télescopes à neutrinos. Ce muon allant plus vite que la lumière dans l’eau, il engendre de la lumière par effet Tcherenkov, l’équivalent pour la lumière du bang supersonique. Il s’agit d’un cône de lumière bleutée. Ce type de télescope à neutrinos est constitué d’un réseau tridimensionnel de détecteurs de photons (des photomultiplicateurs) qui permet de reconstruire le cône Tcherenkov, et donc la trajectoire du muon et du neutrino incident, et ainsi la position de la source dans le ciel. La résolution angulaire actuelle est de l’ordre du degré.

Ces télescopes à neutrinos sont déployés dans un grand volume d’eau liquide ou de glace pour que la lumière émise par le muon soit perceptible, des dimensions de l’ordre du kilomètre cube étant requises pour avoir une sensibilité suffisante aux faibles flux cosmiques. Ils doivent être placés sous des kilomètres d’eau pour, d’une part, être dans l’obscurité absolue, et, d’autre part, pour avoir un blindage aux rayons cosmiques qui constituent le bruit de fond principal de l’expérience.

Les télescopes à neutrinos, ces immenses volumes situés aux fonds des eaux et regardant sous nos pieds, constituent une étape majeure dans le développement de l’astrophysique des particules et devraient permettre de nouvelles découvertes en astrophysique, cosmologie, matière noire et oscillations de neutrinos. Sont actuellement en fonctionnement IceCube, en Antarctique, et Antares, dans la mer Méditerranée, et aujourd'hui KM3NeT en cours d'installation mais déjà fonctionnel.

Les informations recueillies par le télescope vont permettre de déterminer les trajectoires précises des muons et donc des neutrinos. Puisque ces derniers ne sont pas déviés lors de leur trajet dans l'univers, le relevé de cette trajectoire permet de retrouver leur point d'émission. La probabilité de formation d'un muon par un neutrino muonique étant faible, on peut déduire, lors d'une forte émission de muons à un instant donné, qu'il y a eu un évènement tel que la création d'un trou noir ou d'une supernovæ, évènements générant une quantité conséquente de neutrinos.

Cela permettra alors d'avoir une nouvelle cartographie de l'univers, en n'utilisant non plus les photons mais les neutrinos, particules aux caractéristiques physiques avantageuses pour l'étude de l'univers.

• Neutrino
• Observatoire de neutrinos
• Antares Prédécesseur de KM3NeT