Astroparticules et neutrinos

Domaine émergent, les Astroparticules se trouvent au point de rencontre de l’infiniment grand et de l’infiniment petit, de l’astrophysique et de la physique des particules. Trois domaines en particulier permettent aujourd’hui aux chercheurs d’explorer l’Univers, pour mieux comprendre son histoire et ses origines :

• La cosmologie permet de confronter les théories de l’infiniment petit à l’Univers primordial : toute nouvelle découverte en physique des particules a une application immédiate pour la compréhension de l’Univers et réciproquement, les découvertes en cosmologie ont des conséquences fondamentales sur les théories de l’infiniment petit.
• Les rayons cosmiques, ont constitué jusqu’aux années cinquante la principale source des progrès réalisés dans la connaissance de la structure intime et des lois de la matière. L’avènement des grands accélérateurs a permis des progrès remarquables en raison de l’intensité et de la nature des faisceaux de particules produits. Aujourd’hui, un retour s’opère vers l’étude des rayons cosmiques : Les chercheurs disposent maintenant de détecteurs au sol ou dans l’espace qui vont leur permettre d’accéder à des phénomènes d’énergies incomparablement plus élevées que celles fournies par les accélérateurs.
• Les neutrinos, ces particules non chargées et de masse infinitésimale, susceptibles de traverser la Terre de part en part sans interagir avec la matière, sont encore bien mystérieux. Ils nous viennent du cosmos, du Soleil, de l’atmosphère. L’astronomie des neutrinos apportera des informations essentielles tant en astrophysique et cosmologie qu’en physique des particules car leur nature et leur masse ont des implications dans les modèles actuels.

Une nouvelle astronomie

Le développement du domaine des astroparticules est en train d’engendrer une nouvelle astronomie, qui utilise de nouveaux messagers : rayons cosmiques de très hautes énergies, neutrinos, ondes gravitationnelles... Pour la première fois, la lumière n’est plus le seul messager des objets dans l’Univers et le croisement des observations de ces différentes astronomies permettra de mieux appréhender les phénomènes cosmiques de haute énergie dans l’Univers et de répertorier les événements violents qui en sont la source, que ce soit grâce à des expériences au sol ou des projets spatiaux.

L'essor du spatial

Si l’Univers est devenu un laboratoire pour les physiciens de l’infiniment petit, les satellites sont pour eux un moyen exceptionnel d’aller visiter l’Espace. En liaison avec le Centre national d’études spatiales, plusieurs expériences spatiales sont en cours ou en préparation. Ainsi, l’IN2P3 participe à divers projets de ce type : Planck héberge une expérience de mesure du rayonnement de fond cosmologique; les physiciens étudient les neutrinos solaires à bord d’Integral ; AMS est un spectromètre qui, dans la station spatiale internationale, tente de mettre en évidence l’existence d’antimatière dans l’Espace, tandis que Fermi, comme Hess, s’intéressent aux rayons cosmiques, mais couvrent un domaine de plus basse énergie, ce que ne pourra réaliser le détecteur au sol qui n’observe qu’un petit secteur du ciel. Snap enfin, s’intéressera aux supernovae lointaines.

Les domaines de recherche

Les rayons cosmiques de haute énergie

D’où viennent les rayons cosmiques de haute énergie ? C’est à cette question que tentent de répondre plusieurs expériences :

• Antares (Astronomy with a neutrino telescope and abyss environmental research) : une expérience dédiée à la détection et à l’étude des neutrinos cosmiques de très haute énergie à l’aide d’un télescope sous-marin immergé en Méditerranée par 2 400 m de fond, au sud de l’île de Porquerolles (Var).
• Codalema : projet pour la détection radio des gerbes cosmiques de grande énergie.
• Fermi : télescope d’observation sur satellite dédiée à la recherche de sources cosmiques de rayonnement gamma (de 10 MeV à 100 GeV) et lancé par la Nasa mi-2008.

Les neutrinos et leurs propriétés

Les neutrinos, ces particules non chargées et de masse infinitésimale restent encore très mystérieuses. Nous nous posons encore des questions à leurs sujets C’est pour y répondre que les physiciens de l’IN2P3 participent aux trois expériences suivantes :

• Double Chooz : une expérience d'observation des neutrinos du réacteur nucléaire de Chooz (commune des Ardennes), dans le but de mieux connaître une propriété fondamentale des neutrinos, leur "oscillation".
• Nemo (Neutrino Ettore Majorana observatory) : une expérience dédiée à la recherche de la double désintégration bêta sans émission de neutrinos, qui prouverait à la fois la nature Majorana du neutrino (neutrino et antineutrino ne seraient qu'une seule et même particule) et le fait qu'il a une masse non nulle. Cette expérience est installée sous le tunnel du Fréjus au Laboratoire souterrain de Modane.
• Opera (Oscillation project with emulsion tracking apparatus) : une expérience située dans le tunnel du Gran Sasso visant à étudier l'oscillation (changement de saveur) des neutrinos grâce à un faisceau de neutrinos en provenance du Cern et dirigé vers le laboraoire du Gran Sasso en italie.

Les ondes gravitationnelles

Dans sa théorie de la relativité générale, Einstein prédisait l’existence d’ondes gravitationnelles. Celles-ci n’ont encore jamais été détectées directement. C’est l’objectif que s’est fixé l’expérience francoitalienne Virgo: au voisinage de Pise, on construit actuellement une antenne interférométrique composée de deux bras orthogonaux de 3 km de long, une petite merveille de technologie qui permettra de mesurer un rapport de distances de 10^-21, la distance de la Terre au Soleil mesurée à une précision de la dimension d’un atome! Une variation relative de cet ordre de grandeur entre les distances parcourues dans les deux bras de l’interféromètre signerait l’existence de ces ondes gravitationnelles.