LEAD, SD — Chaque matin, deux douzaines de mineurs et d’ingénieurs s’entassent dans un ascenseur en forme de cage pour une descente de 11 minutes dans les entrailles des Black Hills du Dakota du Sud.
Au fond, à 1,6 km sous la surface, la porte de la cage se soulève et les ouvriers descendent un couloir rocheux et tortueux. Au bout se trouve le résultat de trois années de travail : deux cavernes vides, chacune aussi haute qu’un immeuble de sept étages et si longues qu’il faut une seconde entière à votre voix pour atteindre le mur du fond et y faire écho.
Pendant plus d’un siècle, ces profondeurs ont été parcourues par des mineurs en quête d’or. Elles abritent aujourd’hui le Sanford Underground Research Facility, ou SURF. Dans les années à venir, certains des meilleurs physiciens des particules du monde prévoient de transformer ce royaume en l’extrémité d’écoute d’un téléphone en boîte de conserve de 1300 kilomètres de long et d’une valeur de 5 milliards de dollars. Ils espèrent ainsi entendre une réponse chuchotée à une question existentielle : comment en sommes-nous arrivés là ?
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Le message sera transmis par des neutrinos entrants, des particules étranges et insaisissables qui ne pèsent presque rien et se déplacent presque aussi vite que la lumière. À l’autre bout du fil, un accélérateur de particules d’un demi-mille de diamètre exploité par le Fermi National Accelerator Laboratory, juste à l’extérieur de Chicago, créera des milliards de neutrinos chaque seconde dans un faisceau étroit pointé directement vers cette caverne. Ils navigueront sous terre, non pas dans un tunnel, mais à travers trois états de roches solides.
Les physiciens espèrent que lorsque les neutrinos arriveront, ils expliqueront enfin comment le Big Bang a créé un tout petit peu plus de matière que son opposé, l’antimatière – un excès qui constitue tout dans l’univers aujourd’hui.
Le téléphone, officiellement appelé Deep Underground Neutrino Experiment, ou DUNE, est le plus grand projet scientifique et technique souterrain de l’histoire des États-Unis. Il a fallu une décennie pour en arriver là et il faudra peut-être encore une décennie avant qu’il ne commence à fonctionner. Si tout se passe bien, il transformera le neutrino en une quantité connue, comblant une lacune majeure dans la compréhension de l’univers par les scientifiques et, peut-être, ramènera les États-Unis à leur ancienne position de centre de la physique des particules.
Qu’est-ce que l’antimatière ?
Lorsqu’un atome se scinde, ses deux fragments s’envolent à des angles bizarres et obliques. En 1930, le physicien Wolfgang Pauli a imaginé le neutrino pour expliquer ce comportement : « Il doit y avoir une troisième balle invisible qui siffle dans une troisième direction, aussi rapide que la lumière mais aussi éthérée qu’un spectre », a conclu Pauli.
Il a fallu des décennies pour que quelqu’un lui donne raison. Les neutrinos sont les particules les plus nombreuses de l’univers, mais aussi les plus difficiles à étudier. Ils échappent aux détecteurs de particules aussi facilement qu’ils traversent le substratum rocheux. Ils sont si glissants qu’ils sont les seules particules dont la masse reste un mystère total.
De plus, alors que toutes les autres particules ont une identité immuable, les neutrinos sont des métamorphes. Une fois opérationnel, l’accélérateur du Fermilab produira l’une des trois « saveurs » de neutrinos. Mais lorsque ceux-ci atteindront le Dakota du Sud, certains auront pris une autre saveur.
« C’est comme si vous vous transformiez en grand-mère en allant à la cuisine, puis redeveniez vous-même en revenant dans votre chambre », a déclaré Bryan Ramson, physicien participant au projet, depuis la salle de contrôle de DUNE à Batavia, dans l’Illinois. « C’est essentiellement ce que font les neutrinos. »
Mais c’est grâce à cet « effet quantique à long terme et à longue distance », a-t-il ajouté, que DUNE utilisera les neutrinos pour expliquer, eh bien, tout.
Le déséquilibre cosmique
Les physiciens des particules espèrent que les neutrinos pourront aider à résoudre un dilemme de longue date.
Selon les meilleures théories disponibles, la matière – tout ce que nous pouvons voir et sentir dans l’univers – ne devrait pas exister. Chaque particule de matière naît avec un double, une particule d’antimatière (ou « antiparticule ») possédant des propriétés égales mais opposées comme la charge et le spin. Chaque fois qu’une particule et son antiparticule se rencontrent, elles s’annihilent mutuellement. Les particules et les antiparticules peuvent être créées dans des proportions égales, mais elles finissent par se trouver et se détruire, ne laissant derrière elles rien.
Le Big Bang a en quelque sorte brisé cette règle. Il a créé un peu plus de matière que d’antimatière, et cette petite quantité de matière constitue tout ce que nous pouvons voir aujourd’hui. Les propriétés de changement de forme des neutrinos, affirment de nombreux physiciens, pourraient expliquer notre genèse cosmique.
Ramson et ses collègues de DUNE tentent de déterminer si les neutrinos changent de forme plus rapidement que les antineutrinos. Les neutrinos peuvent-ils échapper à leurs sosies en se transformant en une autre forme, comme des fugitifs enfilant un costume différent ? Est-ce ainsi que l’univers primitif s’est retrouvé avec légèrement plus de matière que d’antimatière ?
Si DUNE détecte une discordance entre les neutrinos et les antineutrinos, cela pourrait suggérer que l’hypothèse est fondée. Et comme le neutrino est la seule particule que les physiciens n’ont pas encore étudiée en profondeur, il représente le dernier espoir de résoudre cette énigme existentielle.
« C’est la seule fenêtre ouverte sur de nouvelles frontières », a déclaré Jelena Maricic, physicienne à l’Université d’Hawaï et membre de DUNE.
De grandes ambitions
Lorsque les neutrinos du Fermilab atteindront la caverne du Dakota du Sud, DUNE aura moins d’un millionième de seconde pour les piéger et les étudier avant qu’ils ne poursuivent leur route à travers le Wyoming souterrain et au-delà.
Le piège sera constitué de deux énormes réservoirs, chacun rempli de 17 000 tonnes d’argon liquide glacial. À terme, ces réservoirs seront rejoints par deux autres, dans une caverne identique au bout du couloir. De temps à autre, un neutrino entrant deviendra corporel et s’écrasera sur un atome d’argon, générant un éclair de lumière et une étincelle d’électricité. Les détecteurs mesureront ces signaux, offrant aux physiciens un iota d’information supplémentaire sur les neutrinos.
Cet événement rare doit se produire plusieurs milliers de fois pour que les scientifiques puissent déterminer si les neutrinos et les antineutrinos se comportent différemment. Le piège doit donc être de grande taille, pour arrêter le plus de neutrinos possible. Il a fallu pour cela creuser deux cavernes, puis les remplir de milliers de tonnes d’acier et de certains des appareils électroniques les plus sensibles jamais construits, le tout transporté par l’œsophage étroit de la mine. Mike Headly, le directeur de SURF, a comparé la construction à « la construction d’un navire à l’intérieur d’une bouteille en verre, sauf que le goulot de la bouteille mesure un mile de long ».
Selon Ramson, « DUNE sera pour ainsi dire l’expérience idéale d’oscillation de neutrinos à longue distance ». Il a ajouté : « Si vous me donniez un budget de mille milliards de dollars et tout le temps du monde, il est difficile d’imaginer comment nous pourrions faire mieux ».
La grande ambition du projet a apporté de grands défis, dont certains n’avaient pas été prévus.
L’infrastructure du puits de mine a dû être révisée avant que le laboratoire puisse extraire les roches et mettre en place l’expérience, ce qui a retardé l’excavation et coûté au moins 300 millions de dollars. Et l’accélérateur de particules du Fermilab a dû être modernisé – une dépense d’un milliard de dollars – pour fournir suffisamment de neutrinos au détecteur. En 2021, le ministère de l’Énergie a attribué au laboratoire une note de performance défaillante et, en 2023, il a rouvert le contrat de gestion du laboratoire à de nouveaux soumissionnaires. Puis, en mai 2023, un ouvrier du fer est tombé de 7 mètres sur du béton et a été grièvement blessé. Les travaux ont été interrompus pour le reste de l’année, ce qui a permis au laboratoire « d’examiner toutes nos procédures et d’assurer la sécurité de notre personnel », a déclaré Lia Merminga, directrice du Fermilab.
La phase initiale du projet, qui consiste en une première mesure à l’aide des deux détecteurs de la première caverne, devait initialement être achevée en 2035 pour un coût d’environ 1,5 milliard de dollars. Elle devrait désormais être achevée d’ici 2040 pour un coût de 3,3 milliards de dollars. Ce montant n’inclut pas la mise à niveau de l’accélérateur, qui coûtera un milliard de dollars, ni les deux détecteurs supplémentaires que les scientifiques espèrent ajouter, dont le premier coûtera à lui seul 300 millions de dollars supplémentaires. Au total, le coût total de l’ensemble du projet pour les contribuables américains pourrait approcher les 5 milliards de dollars.
Les critiques dans la presse scientifique ont souvent été acerbes, et elles ont fait réfléchir certains des 1 400 scientifiques qui avaient lié leur avenir à DUNE.
« J’ai dû vraiment réfléchir à cette nouvelle, au moment où je décidais de ce que je voulais faire du reste de ma vie », a déclaré Ramson. « J’ai abandonné des carrières extrêmement lucratives ailleurs pour suivre mes intérêts. » Si DUNE devait être annulé, a-t-il déclaré, « j’aurais fait le mauvais pari. »
Ron Ray, directeur adjoint du projet DUNE, a balayé les critiques. « Oui, il y a du bruit, mais les gens qui écrivent ces choses ne savent pas vraiment de quoi ils parlent », a-t-il déclaré. « Les premiers jours d’un projet sont toujours marqués par un optimisme débordant qui ne se révèle jamais vrai. »
Il a fait valoir que les coûts et les retards inattendus de DUNE étaient normaux pour une entreprise scientifique de cette envergure. Il a cité le télescope spatial James Webb, qui a été lancé en décembre 2022 après des années de retards et de dépassements de coûts et qui, aujourd’hui, fait régulièrement des percées cosmiques. « Il n’y a pas de remède comme le succès », a déclaré Ray.
Pour Ramson, renoncer à DUNE maintenant « signifierait au monde que l’Amérique ne veut plus être le leader de la physique des particules ». La direction reviendrait plutôt à l’expérience japonaise Hyper-K, actuellement en construction et dont la mise en service est prévue en 2027. Comme DUNE, Hyper-K utilisera un accélérateur de particules récemment modernisé pour propulser des neutrinos à des centaines de kilomètres jusqu’à une chambre nouvellement creusée dans une mine. Mais il est plus simple et plus élégant, ce qui représente une modeste avancée par rapport à la technologie existante par rapport à DUNE. Il est probable qu’il progressera plus rapidement et qu’il permettra de faire la première estimation approximative du déséquilibre entre neutrinos et antineutrinos.
« Tout ce qui vaut la peine d’être fait implique une compétition », a déclaré Sam Zeller, physicienne au Fermilab. Mais il ne s’agit pas d’une simple course de chevaux, a-t-elle ajouté ; les expériences sur les neutrinos ont toujours nécessité une collaboration internationale. En outre, a-t-elle ajouté, DUNE a d’autres objectifs, notamment la recherche de matière noire, la substance invisible qui compose la majeure partie du cosmos, et l’étude des neutrinos issus de la mort cataclysmique d’étoiles lointaines.
En coulisses, les scientifiques de DUNE ont déclaré qu’ils avaient fait des progrès constants vers le perfectionnement du détecteur à argon liquide, qui était encore une technologie naissante en 2012 lorsque les concepteurs de DUNE ont parié dessus. « Je regarde toute la liste des choses qui auraient pu se passer différemment et c’est comme si toutes les étoiles s’alignaient », a déclaré Zeller.
Un tournant
Le projet DUNE a reçu un sérieux coup de pouce moral en décembre. Un panel de 32 éminents physiciens des particules, chargés de classer les priorités du domaine pour la décennie à venir, a donné la priorité à l’achèvement du projet.
« Nous avons ressenti cette responsabilité », a déclaré Karsten Heeger, physicien à l’université de Yale et vice-président du groupe de travail P5, le Particle Physics Project Prioritization Panel. « C’était une tâche ardue et effrayante. »
En fin de compte, a déclaré Heeger, les enjeux scientifiques étaient trop importants pour ne pas approuver le projet. « C’est une véritable opportunité pour les États-Unis de devenir un chef de file mondial et de devenir le centre de la physique des neutrinos pour les décennies à venir », a-t-il déclaré.
Le rapport a servi de mandat pour « terminer ce que nous avons commencé », a déclaré Ray. Merminga, directrice du Fermilab, a déclaré : « Je ne pourrais pas être plus satisfaite du résultat. » Elle a reconnu que le Fermilab avait dû faire face à de véritables défis ces dernières années et a ajouté : « Nous avons presque laissé cela derrière nous. »
Le 1er février, après plus d’une décennie de planification et de construction, les cavernes souterraines ont été achevées par une dernière explosion de dynamite. Le trou est là ; il ne reste plus aux physiciens – et à l’univers – qu’à le combler.
Vers 2024, The New York Times Company