Antares : naissance d'un télescope à neutrinos au fond de la Méditerranée

Physique

Antares

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La première ligne de détection du télescope à neutrinos Antares, immergée à 2500 mètres de profondeur, a été reliée par le robot téléopéré Victor 6000 de l'Ifremer à la station à terre de La Seyne-sur-Mer (Var), le jeudi 2 mars à 12 h 11. Quelques heures plus tard, Antares ouvrait pour la première fois ses yeux vers le ciel et détectait ses premiers muons (1). Cette liaison marque la naissance effective du détecteur Antares, le premier télescope à neutrinos de haute énergie en mer profonde dans l'hémisphère nord. Cet évènement récompense une décennie d'efforts d'une vingtaine de laboratoires européens (2), parmi lesquels le CEA/Dapnia et des laboratoires du CNRS/IN2P3, instigateurs (3)du projet en 1996.

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<br />Représentation en images virtuelles du détecteur sous-marin "Antares". Ce télescope à neutrinos européen est installé par 2400 mètres de fond à 10 milles nautiques au sud de l'île de Porquerolles. Douze lignes de 400 mètres de long portant chacune 75 capteurs spéciaux (photomultiplicateurs) traqueront l'infime trace lumineuse laissée dans l'eau par un "muon", particule chargée, issue de la rencontre rarissisme d'un atome de matière et d'un neutrino. Les chercheurs espèrent par ce procédé déduire la direction d'où proviennent les neutrinos. Une information qui permettrait d'en identifier la source : cataclysme cosmique ou matière nouvelle inconnue. <br />© CNRS Photothèque/IN2P3 - Montanet François - Reproduction et utilisation interdites

Représentation en images virtuelles du détecteur sous-marin "Antares". Ce télescope à neutrinos européen est installé par 2400 mètres de fond à 10 milles nautiques au sud de l'île de Porquerolles. Douze lignes de 400 mètres de long portant chacune 75 capteurs spéciaux (photomultiplicateurs) traqueront l'infime trace lumineuse laissée dans l'eau par un "muon", particule chargée, issue de la rencontre rarissisme d'un atome de matière et d'un neutrino. Les chercheurs espèrent par ce procédé déduire la direction d'où proviennent les neutrinos. Une information qui permettrait d'en identifier la source : cataclysme cosmique ou matière nouvelle inconnue.
© CNRS Photothèque/IN2P3 - Montanet François - Reproduction et utilisation interdites

Le télescope Antares (4) est un détecteur de neutrinosneutrinos qui a deux objectifs majeurs : l'astronomie de haute énergie et la recherche de la matière noirematière noire (voir encadré ci-dessous).

Les neutrinos interagissent très peu avec la matière. Leur détection est donc un défi qu'il n'est possible de relever qu'avec d'immenses détecteurs, protégés du rayonnement cosmique qui bombarde constamment tout site terrestre et représente un important et continu bruit de fond. Installé au large de Toulon (Var), Antares est protégé de ce rayonnement par le blindage naturel des 2 500 mètres de hauteur d'eau de mer. Des photodétecteurs, les yeuxyeux d'Antares, utilisent un grand volume d'eau de mer pour observer le sillage très faiblement lumineux produit par les muons « montants ». Ces derniers résultent de l'interaction avec la croûte terrestrecroûte terrestre des neutrinos ayant traversé la Terre. Cette observation est rendue possible grâce à l'obscurité totale qui règne à ces profondeurs abyssales. Antares observe donc le ciel de l'hémisphère sudhémisphère sud au travers du globe terrestre, incluant le centre galactique, siège de phénomènes énergétiques intenses.

<br />Représentation en images virtuelles, vue "fish-eye", du détecteur sous-marin "Antares". Ce télescope à neutrinos européen est installé par 2400 mètres de fond à 10 milles nautiques au sud de l'île de Porquerolles. Douze lignes de 400 mètres de long portant chacune 75 capteurs spéciaux (photomultiplicateurs) traqueront l'infime trace lumineuse laissée dans l'eau par un "muon", particule chargée, issue de la rencontre rarissisme d'un atome de matière et d'un neutrino. Les chercheurs espèrent par ce procédé déduire la direction d'où proviennent les neutrinos. Une information qui permettrait d'en identifier la source : cataclysme cosmique ou matière nouvelle inconnue.<br />© CNRS Photothèque/IN2P3 - Montanet François - Reproduction et utilisation interdites

Représentation en images virtuelles, vue "fish-eye", du détecteur sous-marin "Antares". Ce télescope à neutrinos européen est installé par 2400 mètres de fond à 10 milles nautiques au sud de l'île de Porquerolles. Douze lignes de 400 mètres de long portant chacune 75 capteurs spéciaux (photomultiplicateurs) traqueront l'infime trace lumineuse laissée dans l'eau par un "muon", particule chargée, issue de la rencontre rarissisme d'un atome de matière et d'un neutrino. Les chercheurs espèrent par ce procédé déduire la direction d'où proviennent les neutrinos. Une information qui permettrait d'en identifier la source : cataclysme cosmique ou matière nouvelle inconnue.
© CNRS Photothèque/IN2P3 - Montanet François - Reproduction et utilisation interdites

Les photodétecteurs se répartissent par groupe de trois le long de câbles ombilicaux de 450 mètres de haut, destinés au transport des signaux et de l'énergie. Au total, 900 « yeux » répartis sur 12 lignes scruteront l'UniversUnivers d'ici à fin 2007, occupant une surface d'environ 200 m x 200 m au sol. Chaque ligne est reliée à une boîte de jonction à partir de laquelle s'étire un câble électro-optique de 40 kilomètres qui aboutit à la station à terre de l'institut Michel Pacha, à La Seyne-sur-Mer. Le déploiement du télescope Antares bénéficie de la logistique et de l'expertise de l'Ifremer.

En outre, Antares constitue une infrastructure scientifique sous-marine multidisciplinaire permanente qui enregistre différentes données : océanographiques - incluant l'observation du milieu marin en mer profonde ainsi que les phénomènes de bioluminescencebioluminescence - et géophysiques. Ainsi un sismographe y enregistre les secousses de la planète depuis un an.

Antares a pour objectif l'observation de phénomènes cosmiques de haute énergie. Ces dernières décennies, l'astronomie a permis de découvrir de nombreux objets, dont certains sont le siège de phénomènes cataclysmiques, émetteurs de photonsphotons, de particules chargées et de neutrinos de très haute énergie. Cependant les photons sont absorbés par la matière, ce qui limite la profondeur d'espace pouvant être observé, et les particules chargées d'énergie pas trop élevée sont déviées par les champs magnétiqueschamps magnétiques galactiques et extragalactiques, ce qui rend l'observation des sources ponctuelles, et donc l'astronomie, très difficile. En revanche, les neutrinos cosmiques sont des particules élémentairesparticules élémentaires qui interagissent faiblement avec la matière. Ils parcourent donc de longues distances dans l'Univers sans être absorbés par les milieux intergalactiques, se propageant en ligne droite depuis le cœur des accélérateurs cosmiques sans être déviés. Ils permettent ainsi de sonder l'univers lointain et d'étudier les sources à l'origine des rayonnements cosmiques de très haute énergie.

<br />Représentation en images virtuelles, d'un détail, d'un étage du détecteur sous-marin "Antares", équipé de trois modules optiques. Ce télescope à neutrinos européen est installé par 2400 mètres de fond à 10 milles nautiques au sud de l'île de Porquerolles. Douze lignes de 400 mètres de long portant chacune 75 capteurs spéciaux (photomultiplicateurs) traqueront l'infime trace lumineuse laissée dans l'eau par un "muon", particule chargée, issue de la rencontre rarissisme d'un atome de matière et d'un neutrino. Les chercheurs espèrent par ce procédé déduire la direction d'où proviennent les neutrinos. Une information qui permettrait d'en identifier la source : cataclysme cosmique ou matière nouvelle inconnue. © CNRS Photothèque/IN2P3 - Montanet François - Reproduction et utilisation interdites

Représentation en images virtuelles, d'un détail, d'un étage du détecteur sous-marin "Antares", équipé de trois modules optiques. Ce télescope à neutrinos européen est installé par 2400 mètres de fond à 10 milles nautiques au sud de l'île de Porquerolles. Douze lignes de 400 mètres de long portant chacune 75 capteurs spéciaux (photomultiplicateurs) traqueront l'infime trace lumineuse laissée dans l'eau par un "muon", particule chargée, issue de la rencontre rarissisme d'un atome de matière et d'un neutrino. Les chercheurs espèrent par ce procédé déduire la direction d'où proviennent les neutrinos. Une information qui permettrait d'en identifier la source : cataclysme cosmique ou matière nouvelle inconnue. © CNRS Photothèque/IN2P3 - Montanet François - Reproduction et utilisation interdites

Antares pourrait également observer des neutrinos de plus basse énergie issus de l'accumulation de matière noire au centre de la Terre, du SoleilSoleil ou de notre galaxiegalaxie. Mis en évidence il y a 70 ans, le problème de la matière noire constitue aujourd'hui une des questions majeures de la cosmologiecosmologie. Nous ignorons encore ce qui compose 95 % de notre Univers ! La nature de la matière et de l'énergie manquante est complètement inconnue, mais pourrait être en partie constituée d'une particule élémentaire massive appelée wimpwimp (weakly interacting massive particle), ou encore « particule lourde interagissant faiblement avec la matière ». La théorie physiquephysique dite de la « supersymétriesupersymétrie » en prédit l'existence, encore non vérifiée. Ces particules s'accumuleraient au centre d'objets massifs comme la Terre, le Soleil... Étant à la fois particule et anti-particuleanti-particule, les wimps finiraient par s'annihiler en produisant une bouffée d'énergie et de particules, dont des neutrinos.

Notes :
1) Le muon est une particule similaire à l'électronélectron, capable de traverser d'importantes quantités de matière. Au-delà d'une certaine vitessevitesse, elle produit dans l'eau un sillage de lumière bleuelumière bleue, le rayonnement Tcherenkov.

2) Plus de 150 chercheurs, ingénieurs et techniciens répartis dans les laboratoires suivants : CPPM (CNRS/IN2P3 - univ. de la Méditerranée Aix-Marseille II) ; DSM/Dapnia (CEA/Saclay) ; GRPHE (univ. de Haute-Alsace, Mulhouse) ; IPHC (CNRS/IN2P3 - ULP Strasbourg) ; APC (Univ. Paris VII, CNRS, CEA, observatoire de Paris) ; ITEP (Moscou, Russie) ; IFIC (CSIC/univ. de ValenceValence, Espagne) ; NIKHEF, KVI, universités d'Amsterdam et d'Utrecht (Pays-Bas) ; INFN-Italie (univ. de Bari, Bologna, Catania, Genova, Pisa, Roma, laboratoire LNS-Catania) ; univ. d'Erlangen (Allemagne) ; Géosciences Azur (CNRS, IRDIRD, UNSA, UPMC) ; COM (CNRS/INSU - univ. de la Méditerranée Aix-Marseille II) ; LAMLAM (CNRS/INSU - univ. de Provence) ; Ifremer (centre de Toulon/La Seyne-sur-Mer et centre de Brest).

3) Plus précisément, le Centre de physique des particules de Marseille (CPPM), unité mixte de recherche CNRS/IN2P3 et université de la Méditerranée - servant d'appui local à la collaboration - et le CEA/Dapnia, Laboratoire de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers.

4) Le financement du projet Antares est assuré grâce à la contribution du CEA (DSM/Dapnia) et du CNRS/IN2P3 ; de la Région Alsace, de la Région Provence Alpes Côte d'Azur, du Département du Var, de la Ville de La Seyne-sur-Mer ; de l'Union Européenne ; et de cinq pays (Pays-Bas, Allemagne, Italie, Espagne, Russie).