Le résumé
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La Chine est sur le point d’achever une installation avancée pour mesurer les neutrinos, les plus petites particules subatomiques connues des physiciens.
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Sa sphère centrale souterraine sera bientôt bouclée et remplie de liquide. NBC News l’a visité avant que cela n’arrive.
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L’observatoire de neutrinos est le premier des trois qui devraient ouvrir leurs portes dans le monde au cours de la prochaine décennie, précédant des projets au Japon et aux États-Unis.
GOLDEN ROOSTER TOWN, Kaiping, Chine — Dans une caverne de granit située au fond des collines boisées du sud de la Chine, des ouvriers vont bientôt achever une sphère de 600 tonnes qui pourrait percer certains des mystères les plus profonds de la physique moderne.
La sphère en plexiglas est la pièce maîtresse de l’Observatoire souterrain de neutrinos de Jiangmen, ou JUNO, une installation de 300 millions de dollars conçue pour mesurer les neutrinos, les plus petites particules subatomiques connues des physiciens.
Parfois appelés « particules fantômes », les neutrinos sont invisibles et presque sans masse, et ils se déplacent à une vitesse proche de celle de la lumière. Ils se présentent sous trois états de masse, dont le plus grand est estimé avoir un millionième de la masse d’un électron. Les neutrinos peuvent traverser la Terre et d’autres matières sans interagir avec elles, ce qui explique en grande partie pourquoi ils sont jusqu’à présent restés insaisissables pour les physiciens.
Les comprendre pourrait aider à démêler un déséquilibre déroutant au cœur de la théorie du Big Bang : selon le modèle standard de la physique, cet événement aurait dû produire des quantités égales de matière et d’antimatière. Mais le premier est beaucoup plus abondant, et les scientifiques ne savent pas pourquoi.
L’objectif de JUNO et d’autres observatoires de neutrinos qui devraient être mis en service dans les années à venir est de mesurer les différences entre les masses des neutrinos. Parce que les particules sont si petites, il est difficile de le faire avec précision. JUNO a donc été construit à 2 300 pieds sous la surface de la Terre pour protéger les neutrinos étudiés de l’interférence des rayons cosmiques.
Atteindre la sphère de l’observatoire nécessite un lent voyage en téléphérique, qui rampe à environ 6 km/h dans un long tunnel en pente creusé dans le granit. Avant le début des opérations l’année prochaine, la sphère et la zone souterraine qui l’entoure seront bouclées et remplies de liquide – pour ne plus jamais s’ouvrir. NBC News a rejoint l’une des dernières tournées avant que cela n’arrive.
Comment détecter un neutrino
Le trajet en téléphérique jusqu’à la sphère JUNO a duré environ 15 minutes, avec des lumières blanches et froides projetant des ombres contrastées sur le rocher. Au bout du tunnel, les visiteurs ont reçu des casques de sécurité et des combinaisons blanches complètes avec des chaussons en plastique pour les pieds. Ensuite, chacun est entré dans une unité de ventilation, où les ventilateurs envoyaient une impulsion d’air pour nettoyer toute contamination potentielle.
À l’intérieur de la caverne où se trouve la sphère, des ouvriers ont grimpé sur les balustrades et les poutres à l’aide de lampes de poche et ont essuyé les taches. Le ronronnement des forets résonnait sur les murs.
Des milliards de neutrinos traversent notre corps chaque seconde. Le soleil les produit par fusion ; les centrales nucléaires aussi. Certaines proviennent d’explosions de supernova dans l’espace. Les neutrinos s’associent aux antineutrinos, qui, selon les scientifiques, reflètent leur comportement.
JUNO est donc conçu pour capturer les antineutrinos, en particulier ceux émis par deux centrales nucléaires situées à environ 33 miles de l’observatoire.
La sphère de JUNO, haute de 13 étages, sera remplie d’un liquide spécial appelé « scintillateur » et immergée dans un cylindre d’eau purifiée, a déclaré Wang Yifang, chef de projet et directeur de l’Institut chinois de physique des hautes énergies.
Lorsque les antineutrinos pénètrent dans le liquide, ils déclenchent des processus chimiques qui produisent un bref aperçu de lumière, qui peut être capturée par des capteurs tapissant la sphère.
“L’événement déclenchera un flash d’une durée d’environ 5 nanosecondes seulement, que nous espérons capturer avec les milliers de tubes photomultiplicateurs entourant la sphère”, a déclaré Wang, vêtu d’un casque de sécurité alors que les ouvriers derrière lui installaient les tubes. “Nous espérons assister à 60 événements par jour.”
Grâce à cette approche, JUNO devrait être capable de mesurer les différences de masse des antineutrinos environ 10 fois mieux que les équipements précédents.
Le premier des trois nouveaux observatoires de neutrinos
JUNO fait partie des efforts ambitieux de la Chine pour devenir une puissance scientifique mondiale. Dans un discours prononcé cette année, le président Xi Jinping a présenté ses plans visant à transformer le pays en un géant de la science et de la technologie d’ici 2035.
JUNO devrait être le premier des trois observatoires de neutrinos de nouvelle génération ouverts au cours des dix prochaines années, ce qui en fait une sorte de fer de lance d’une nouvelle ère de la physique. Au Japon, l’observatoire Hyper-Kamiokande devrait ouvrir ses portes en 2027. Et un programme soutenu par les États-Unis appelé Deep Underground Neutrino Experiment, ou DUNE, prévoit qu’un accélérateur de particules envoie un faisceau de neutrinos sous terre depuis l’Illinois jusqu’au Dakota du Sud à partir de 2027. 2031.
Les trois observatoires à venir prévoient tous d’utiliser des technologies différentes pour détecter les particules, ils sont donc à la fois complémentaires et concurrents. Chacune implique une collaboration internationale tentaculaire conçue pour faire avancer le domaine, générer de nouvelles technologies dérivées et former une nouvelle vague de scientifiques.
“Il n’est pas improbable que nous observions quelque chose d’inattendu lorsque nous lancerons ces expériences”, a déclaré Chris Marshall, professeur adjoint de physique à l’Université de Rochester, qui travaille sur le projet DUNE. “Essayer de démêler ces effets vraiment compliqués (…) nécessitera de multiples expériences mesurant les choses de différentes manières.”
Dans une certaine mesure, la capacité de chaque observatoire à répondre à des questions clés de physique dépendra de la capacité des chercheurs à travailler entre les projets et entre eux. Mais certains scientifiques du monde entier craignent de plus en plus que les tensions géopolitiques croissantes entre les États-Unis et la Chine – et la détérioration de leurs relations scientifiques qui en résulte – pourraient entraver les progrès.
Ces dernières années, les États-Unis ont mené des politiques visant à empêcher les scientifiques chinois d’apporter des technologies américaines dans leur pays d’origine et à empêcher la Chine de débaucher des talents scientifiques de premier plan.
Wang a déclaré que les États-Unis avaient refusé ses demandes de visa en 2022 et 2023, sans explication, et qu’ils avaient limité leur implication dans JUNO.
“En science, la coopération et la compétition sont bonnes, mais il ne faut pas seulement que ce soit de la compétition”, a-t-il déclaré.
Des scientifiques basés aux États-Unis ont également déclaré avoir remarqué de nouveaux obstacles à la collaboration avec des scientifiques chinois.
“Du côté américain, il devient plus difficile d’obtenir des financements pour collaborer avec des collègues chinois et il est devenu plutôt difficile pour nos collègues chinois d’obtenir un visa américain”, a déclaré Patrick Huber, directeur du Center for Neutrino Physics de Virginia Tech, dans un courrier électronique. .
Ignacio Taboada, professeur de physique à Georgia Tech qui participe à la direction d’un observatoire de neutrinos existant au pôle Sud, a déclaré : « Il n’est pas impossible de collaborer avec des scientifiques chinois – cela devient simplement de plus en plus difficile. »
Résoudre les mystères des neutrinos
Les données générées par JUNO pourraient grandement contribuer à résoudre les mystères clés sur comment et pourquoi les neutrinos changent de forme plus que les autres particules subatomiques.
Les neutrinos peuvent osciller ou se transformer selon trois « saveurs » au cours de leur voyage : le muon, le tau et l’électron. Le Soleil, par exemple, envoie des neutrinos électroniques vers la Terre, mais ils arrivent parfois sous forme de neutrinos muoniques. Lorsque les neutrinos interagissent – ce qui n’arrive que rarement – ils se fixent sur une saveur particulière.
En outre, les scientifiques pensent que les neutrinos se déplacent selon l’un des trois états de masse différents et que ces états aident à déterminer la probabilité qu’un neutrino interagisse selon une saveur particulière. Mais on ne sait pas encore lequel des États a le plus de masse.
Les scientifiques pensent également que les neutrinos et les antineutrinos pourraient se transformer différemment au cours de leur voyage et que ces différences pourraient être responsables d’une partie du déséquilibre physique entre la matière et l’antimatière dans l’univers.
Si tel est le cas, en apprendre davantage sur les masses et les oscillations des neutrinos et des antineutrinos pourrait aider les chercheurs à comprendre si le modèle standard de la physique – le livre de règles pour les particules et la manière dont elles interagissent – manque des pages ou si des particules ou des forces jusque-là inconnues pourraient jouer un rôle invisible. rôle.
“Notre belle théorie de la réalité, le modèle standard, n’est pas la théorie finale”, a déclaré Sergio Bertolucci, physicien des particules italien et co-porte-parole de DUNE. “Nous avons découvert que nous devons en savoir plus sur les neutrinos pour répondre à des questions auxquelles le modèle standard ne peut pas répondre.”
Wang souhaite que JUNO remporte la course pour déterminer la hiérarchie de masse des neutrinos – avant les États-Unis et d’autres pays.
« Nous voulons simplement être de bons scientifiques. En science, être le premier est le plus important. Être deuxième, ce n’est rien », a-t-il déclaré. « En tant que scientifique, je ne peux pas me contenter de suivre tout le temps. Je veux avoir le mien.
Si JUNO explique l’histoire des masses des neutrinos avant la mise en ligne de DUNE, le projet dirigé par les États-Unis serait alors en mesure de mesurer la question différemment et de confirmer les résultats de JUNO.
Le plan de DUNE est de mesurer les neutrinos lorsqu’ils quittent une installation dans l’Illinois, après quoi ils parcourront 800 milles à travers la Terre, où ils pourront interagir et osciller. Une fois arrivés dans le Dakota du Sud et détectés, les scientifiques devraient être en mesure de comparer le mélange de saveurs de neutrinos au début et à la fin de leur voyage. Le projet a toutefois connu des retards et des dépassements de coûts.
“Le riche ensemble de données de JUNO, qui sera unique en son genre (…) jouera un rôle clé en nous aidant à déterminer la commande de masse avant 2030, soit seul, soit en combinaison avec d’autres expériences”, a déclaré Pedro Ochoa-Ricoux, professeur de physique et d’astronomie à l’Université de Californie à Irvine.
Plusieurs scientifiques à l’origine de projets d’observatoires de neutrinos ont cependant admis qu’il était impossible de prédire les avantages pratiques et terrestres de la recherche. À terme, suggèrent-ils, cela pourrait donner naissance à de nouvelles technologies, stimuler l’innovation dans le domaine de l’informatique à forte intensité de données et faire progresser la science des accélérateurs de particules.
« Si vous améliorez une bougie, vous ne fabriquerez jamais une lampe électrique, il vous faut donc faire un pas en avant. Il faut une discontinuité », a déclaré Bertolucci. « La recherche fondamentale est essentiellement génératrice de discontinuités. »
Wang l’a exprimé autrement, attribuant son travail à la pure curiosité : « Je suis engagé dans une science « inutile » », a-t-il déclaré.
CORRECTION (31 octobre 2024, 17 h 25 HE) : Une version précédente de cet article attribuait à tort une citation. C’est Sergio Bertolucci, et non Mary Bishai, qui a dit : « Si vous améliorez une bougie, vous ne fabriquerez jamais une lampe électrique, il vous faut donc faire un pas en avant. » (Bertolucci et Bishai sont tous deux porte-parole du projet DUNE.)
Cet article a été initialement publié sur NBCNews.com