La détection et l’observation des neutrinos est un domaine actif de recherche en physique des particules. Leur étude est importante pour améliorer les modèles théoriques actuels concernant les supernovas ainsi que la composition de l’univers. Au Japon, c’est l’observatoire Super-Kamiokande qui est chargé de cette mission. Cette véritable « chambre d’or », remplie d’une dangereuse eau ultrapure capable de dissoudre métaux et matière organique, aide les scientifiques à comprendre l’oscillation des neutrinos et à prédire l’apparition de supernovas.
L’observatoire Super-Kamiokande est situé à 1000 mètres de profondeur sous le Mont Ikeno au Japon, au sein de la mine de Mozumi. Mis en service dès 1996, sa mission est la détection des neutrinos grâce à son réservoir de 40m de haut et 40m de diamètre contenant 50’000 tonnes d’eau ultrapure, et à ses 13’000 photomultiplicateurs détectant le rayonnement produit par l’effet Vavilov-Tcherenkov — lorsqu’un neutrino interagit avec un électron ou un proton des molécules d’eau, il peut entraîner l’émission d’un électron ou d’un positron se propageant plus vite que la lumière dans l’eau.
Les neutrinos sont des particules élémentaires de charge nulle et de très faible masse — le Modèle Standard les prédit initialement avec une masse nulle, mais l’observation du phénomène d’oscillation des neutrinos prouve que ces derniers possèdent bien une masse. Ils n’interagissent qu’avec l’interaction nucléaire faible et la gravité, les rendant ainsi extrêmement difficiles à détecter. Un neutrino interagit si peu avec la matière qu’il pourrait traverser un mur d’acier large d’une année-lumière sans ralentir.
Les neutrinos sont émis lors de très nombreux événements cosmiques, leur étude est donc très importante. « Dans le cas d’une supernova, une étoile qui s’effondre pour former un trou noir, dans notre galaxie, un détecteur comme le Super-K est un des rares objets à pouvoir détecter les neutrinos émis par le phénomène » explique Yoshi Uchida, physicien à l’Imperial College (Londres). Avant d’entamer son processus d’effondrement, une étoile émet un sursaut de neutrinos pouvant servir de « signal d’alarme » à nos détecteurs, et nous indiquer ainsi où tourner nos télescopes. Et selon Uchida, ce genre d’événement détectable a lieu environ tous les 30 ans.
Super-Kamiokande ne fait pas qu’observer les neutrinos venus du cosmos. Situé à 295 km du Mont Ikeno dans la ville de Tokai, l’accélérateur de particules J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex) génère des faisceaux de neutrinos muoniques à travers le sol afin qu’ils soient détectés par Super-K. Cette expérience de physique des particules, baptisée « T2K », a pour objectif d’étudier l’oscillation des neutrinos, c’est-à-dire le mécanisme par lequel un neutrino se transforme en un autre type (saveur) de neutrino au cours de sa propagation. Le phénomène d’oscillation des neutrinos étant proposé comme hypothèse à l’asymétrie matière-antimatière, son étude est cruciale.
Pour que les radiations Tcherenkov atteignent les photomultiplicateurs, l’eau dans laquelle elles se déplacent doit être la plus pure possible. Au sein du réservoir de Super-K, l’eau est constamment filtrée, purifiée et assainie (décontaminée) aux rayons UV. Cette eau est communément appelée « eau ultrapure » dans l’industrie des très hautes technologies. Elle passe par plusieurs étapes de purification chargées d’éliminer tous les contaminants : composés organiques et inorganiques, particules de matière dissoutes et colloïdales, résidus volatiles et non-volatiles (silice), substances hydrophiles et hydrophobes, gaz dissous.
Une telle eau arbore des propriétés à la fois acides et alcalines la rendant extrêmement dangereuse. « L’eau ultrapure n’attend que de pouvoir dissoudre ce qui tombe dedans. Il s’agit vraiment d’une très, très méchante chose. Si vous vous trempiez dans l’eau ultrapure, vous auriez le droit à une sévère exfoliation, que vous le vouliez ou non » précise Uchida. Lors des opérations de maintenance des capteurs situés dans le réservoir, les ingénieurs sont obligés de se déplacer sur des canots en caoutchouc.
Le physicien Matthew Malek (université de Sheffield) raconte souvent sa mauvaise expérience avec l’eau ultrapure de Super-K. Lorsqu’il était doctorant, il a participé à une opération de maintenance avec deux collègues. Au moment de revenir, le canot était cassé et ne pouvait plus avancer, ils ont donc attendu à l’intérieur qu’un autre moyen de transport leur soit envoyé. Tandis qu’ils attendaient et discutaient, Malek ne s’était pas aperçu que la pointe de ses cheveux (pas plus de 3 cm) trempait dans l’eau ultrapure. Puisque l’eau était évacuée pour être changée, le doctorant ne s’est pas soucié d’une possible contamination.
Mais durant la nuit, Malek a vécu une douloureuse expérience. « Je me suis réveillé à 3 heures du matin avec le cuir chevelu qui me démangeait comme jamais dans ma vie. C’était pire que la varicelle ; c’était tellement violent que je ne pouvais plus dormir » confie-t-il. L’eau ultrapure avait en effet aspiré tous les nutriments de la pointe de ses cheveux, et cette déficience en nutriments s’était propagée jusqu’à son cuir chevelu. Malek affirme que seule une douche de plus de 30 minutes avec un shampoing riche en nutriments lui a permis de faire cesser les démangeaisons.
Quant au physicien Morgan Wascko (Imperial College), c’est une autre histoire qu’il raconte. En 2000, lorsque le réservoir a été vidé pour renouveler l’eau, les ingénieurs ont trouvé au fond, une trace formant les contours d’une clé anglaise. Apparemment, quelqu’un avait oublié son outil lorsqu’ils ont rempli le réservoir pour la première fois en 1995. Cinq ans plus tard, l’eau ultrapure a dissout la totalité de la clé en métal.
En 2001, un incident a provoqué une implosion de la structure interne, conduisant à la destruction de plus de 5000 photomultiplicateurs. Bien que la couverture de détection ait été rétablie, en 2010, les chercheurs ont lancé un appel à projet pour la construction d’un « Hyper-Kamiokande ». Approuvé en 2017, la construction a débuté en 2018 et devrait prendre fin aux environs de 2026. Hyper-Kamiokande possédera un réservoir de 100’000 tonnes d’eau ultrapure, ainsi que 99’000 photomultiplicateurs.
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