Détecter des particules qui n’interagissent pratiquement pas avec la matière nécessite une stratégie de grande ampleur. En effet, les neutrinos sont des particules de masse presque nulle et n’interagissant notablement qu’avec l’interaction faible. Pour les détecter, une collaboration internationale de physiciens a donc décidé d’employer les grands moyens : installer un détecteur de 500 m3 au fond du lac Baïkal. Protégé par la couche d’eau et de glace, le télescope devrait être à l’abri du bruit de fond terrestre et parvenir à détecter ces particules pratiquement insaisissables. Les chercheurs espèrent également se servir de l’instrument afin de détecter de potentielles particules de matière noire.
Des scientifiques russes ont déployé un télescope géant dans les profondeurs glaciales du lac Baïkal, dans le sud de la Sibérie, pour rechercher des particules de très faible masse. Le télescope, Baikal-GVD (pour Baikal Gigaton Volume Detector), est conçu pour rechercher des neutrinos, qui sont des particules subatomiques presque sans masse et sans charge électrique. Les neutrinos sont partout, mais en interagissant uniquement avec l’interaction faible (et la gravité), ils sont extrêmement difficiles à détecter.
C’est pourquoi les physiciens regardent sous le lac Baïkal, qui, à 1700 mètres de profondeur, est le lac le plus profond de la planète. Les détecteurs de neutrinos sont généralement construits sous terre pour les protéger des rayons cosmiques et d’autres sources d’interférences. Une eau douce claire et une épaisse couche de glace protectrice font du lac Baïkal un endroit idéal pour rechercher des neutrinos.
Détecter les neutrinos grâce à l’effet Tcherenkov
Les chercheurs ont déployé le détecteur de neutrinos à travers la glace à environ 4 km des rives du lac, dans la partie sud, le 13 mars, abaissant des modules faits de cordes, de sphères de verre et d’acier inoxydable jusqu’à 1310 m dans l’eau. Les sphères de verre contiennent ce que l’on appelle des tubes photomultiplicateurs, qui détectent un type particulier de lumière qui se dégage lorsqu’un neutrino traverse un milieu (dans ce cas, l’eau du lac) à une vitesse plus rapide que la lumière (dans ce même milieu).
Cette lumière est appelée lumière Tcherenkov d’après l’un de ses découvreurs, le physicien soviétique Pavel Tcherenkov. Les physiciens recherchent des neutrinos sous le lac Baïkal depuis 2003, mais le nouveau télescope est le plus grand instrument déployé à ce jour. Au total, les cordes et les modules mesurent environ un demi-kilomètre cube, comme l’explique Dmitry Naumov de l’Institut de recherche nucléaire.
Vers un détecteur de plus en plus performant
Selon le consortium scientifique qui a développé le télescope, il sera également utilisé pour rechercher de la matière noire et d’autres particules exotiques. Le Baikal-GVD fait environ la moitié de la taille du plus grand détecteur de neutrinos sur Terre, l’IceCube South Pole Neutrino Observatory, qui se compose du même type de modules de détection de lumière que le Baikal-GVD, intégré dans 1 km cube de glace antarctique. D’ailleurs, récemment, IceCube, situé en Antarctique, a permis de détection une particule d’antimatière extrêmement énergique.
IceCube détecte environ 275 neutrinos de l’atmosphère terrestre chaque jour, selon les scientifiques du projet. Les physiciens russes et leurs collaborateurs en République tchèque, en Allemagne, en Pologne et en Slovaquie prévoient d’étendre le Baikal-GVD à la taille d’IceCube ou plus dans les années à venir.