Observer des neutrinos 2 km sous terre

Quand des chercheurs résument leur projet de recherche dans le cadre d’une porte en mentionnant qu’il pourrait contribuer à révolutionner le modèle standard de la physique élémentaire des particules, on sait que l’entrevue aura lieu. Il y a quelque chose qui vient titiller la curiosité intellectuelle dans ce sujet : le monde tel qu’on le comprend – ou tel qu’on ne le comprend pas encore! – pourrait changer du tout au tout. Fascination, quand tu nous tiens.

Professeurs au Département de génie électrique et de génie informatique, Jean-François Pratte et Serge Charlebois travaillent actuellement sur un projet de recherche où l’ingénierie est de mise tout en flirtant solidement avec la physique.

« On présume que, lors du big-bang, autant de matière que d’antimatière auraient été créées, annonce d’entrée de jeu Serge Charlebois. Cependant, ce n’est pas ce que nous observons aujourd’hui. Nous vivons dans un univers dominé par la matière, et ce sont les neutrinos – minuscules particules élémentaires - qui pourraient nous aider à mieux comprendre ce déséquilibre. Les deux chercheurs qui ont reçu le prix Nobel de la physique en 2015, dont le Canadien Arthur B. MacDonald, ont démontré que les neutrinos ont en fait une masse minime, ce qui a amené les scientifiques à se questionner sur la possibilité que le neutrino et son opposé, l’antineutrino, puissent en fait être la même particule; une famille proposée sous le nom de « particule de Majorana », encore jamais observée. Est-ce qu’une particule pourrait être sa propre antimatière? Pour pouvoir déterminer que c’est bel et bien le cas, il faudrait observer ce que l’on appelle une "double désintégration bêta dite sans émission de neutrinos". »

Cette découverte pourrait ouvrir la voie à une « nouvelle » physique et pourrait même révolutionner notre compréhension de l’Univers.

Des milliards de milliards de neutrinos chaque seconde

Détecter les neutrinos s’avère un brin compliqué : bien qu’elles soient les particules les plus abondantes dans l’Univers après les photons, elles sont presque impossibles à saisir, à détecter. Elles n’interagissent presque jamais avec la matière : selon certaines sources, sur des milliards de milliards de neutrinos qui traversent la Terre chaque seconde, un seul neutrino parviendrait à interagir avec un atome!

Un projet de 300 millions $ pour étudier les neutrinos

Le gouvernement américain est à la tête d’un énorme projet de recherche d’environ 300 M$, qui vise justement à étudier les neutrinos. On veut mettre au point un détecteur, appelé nEXO, qui sera conçu pour améliorer la sensibilité des mesures actuelles de détection des neutrinos de plus d’un ordre de grandeur. Il sera l’un des détecteurs les plus sensibles jamais construits et serait situé à SNOLab, près de Sudbury, en Ontario, endroit où a eu lieu l’expérience sur les neutrinos solaires qui a mené au prix Nobel de 2015. Pourquoi à cet endroit, situé à 2 km sous terre? Parce que la croûte terrestre agit comme un écran contre les émissions cosmiques qui pourraient trafiquer les observations et que cela permet de prendre le contrôle du milieu dans lequel les expériences seront réalisées.

« Juste faire cet énorme trou a coûté des centaines de millions de dollars, illustre Jean-François Pratte. SNOLab est la salle blanche la plus profonde du monde. Au même titre que d’autres groupes de recherche, on essaie de développer la meilleure technologie qui sera choisie pour être utilisée dans cet énorme détecteur nEXO. » Comme le résume si bien James Siegrist, directeur adjoint au Bureau de la science du ministère de l’Énergie des États-Unis, « comme dans une échappée en cyclisme, chacun veut gagner, mais le groupe est utile à tous ».

40 watts pour 10 0000 détecteurs!

Voilà où l’ingénierie de nos deux chercheurs entre en scène. « Ce qui nous distingue des autres groupes, c’est l’utilisation d’une technologie numérique plutôt qu’analogique, poursuit le professeur Pratte. La plupart des groupes utilisent une " vieille technologie des années 2000 parce qu’elle est stable et qu’elle a fait ses preuves. Mais si nos travaux réussissent, on obtiendrait une nouvelle technologie de capteurs avec une précision inégalée, appelés ″convertisseurs photon-numériques 3D″. Pour l’obtention de la sensibilité requise de nEXO, on a besoin de combiner deux mesures, soit la charge et la lumière. Nos capteurs pourront justement capter la portion lumière – en comptant un à un les photons - pour enregistrer des signaux lumineux qui pourraient avoir la signature de la désintégration que nous cherchons.  Et vous savez quelle sera la consommation pour les 10 000 détecteurs utilisés? seulement 40 watts. Comme une ampoule de cuisinière! »

Tout le xénon-136 de la planète …ou presque!

Les détecteurs seront installés dans un énorme cylindre de 1,3 mètre de haut sur 1,3 mètre de diamètre appelé TPC – ou chambre à projection temporelle. On parle donc d’une superficie d’environ 5 mètres carrés à recouvrir de photodétecteurs. Un terrain de jeu incroyable pour cette équipe qui, jusqu’à maintenant, n’a jamais eu à intégrer des détecteurs sur une telle surface. « Dans ce cylindre, on retrouvera 5 tonnes de xénon-136 liquéfié, explique Serge Charlebois. Parce que s’il y a un milieu dans lequel on pourrait espérer observer de doubles désintégrations bêta sans neutrinos, c’est dans ce gaz, à cause de ses propriétés. On va vouloir le xénon le plus pur possible et en très grande quantité : la quantité qui sera nécessaire avoisine la production annuelle sur la planète Terre! Ce cylindre sera ensuite lui-même plongé dans l’eau, pour encore plus se blinder contre les rayonnements parasites ambiants. »

C’est un projet de longue haleine : si le projet suit son cours et que nEXO choisit l’équipe sherbrookoise pour ses capteurs, l’aventure pourrait s’échelonner sur 10 ans. « C’est difficile de dire quand exactement pourra commencer la prise de mesures, mais on évalue que ce sera avant 2030, affirme Jean-François Pratte. Et c’est un one shot deal. High risk, high gain. Une fois que le tout est installé, scellé, et que la prise de mesures commence, on ne peut plus rien réparer : ça doit fonctionner! »

Des télécommunications aux véhicules autonomes

Les demandes de financement pour le développement de ces capteurs de photons avancés sont en évaluation en ce moment par les organismes subventionnaires canadiens. Le projet mobilise la recherche universitaire en physique des particules et en microélectronique, ainsi que le secteur industriel de la microélectronique à Bromont : le projet prévoit la microfabrication des photodétecteurs chez Teledyne DALSA, et l’assemblage des modules de photodétecteurs, au Centre de Collaboration MiQro Innovation (C2MI).

Membres tous les deux de l’Institut interdisciplinaire d’innovation technologique (3IT) et de l’Institut quantique (IQ), les deux chercheurs insistent sur deux aspects : toutes les connaissances produites par ce projet pourront servir à d’autres applications. Les photodétecteurs qu’ils développent pourraient voir leur utilité appliquée dans les télécommunications, dans les véhicules autonomes ou dans l’instrumentation médicale.

Au cours des trois prochaines années et pour ce projet seulement, au moins douze étudiantes et étudiants de 1^er cycle et douze provenant des cycles supérieurs seront formés, toujours en lien avec le créneau d’excellence de l’industrie des systèmes électroniques du Québec ainsi que de l’optique et de la photonique. D’ailleurs, si certains étudiants et étudiantes sont attirés par ce sujet de recherche, des projets de maîtrise et de doctorat sont toujours disponibles en lien avec cette aventure subatomique!

Le nEXO sera l’un des détecteurs les plus sensibles jamais construits et il devrait être le chef de file dans ce domaine pendant au moins une décennie. C'est une belle occasion pour nos chercheuses et chercheurs sherbrookois d’asseoir une expertise mondiale en photodétection de basse intensité et de démontrer la réputation du Québec en physique subatomique.