L'Observatoire de Neutrinos de Sudbury

Le seul observatoire canadien situé sous terre

L'Observatoire de Neutrinos de Sudbury entre en fonction en 1999, à 2070 mètres sous terre, dans la mine Creighton, près de Sudbury, en Ontario. L'objectif de l'observatoire est de détecter et d'étudier les neutrinos émis par le Soleil et d'autres objets célestes. Sa création est le fruit d'une collaboration entre le Canada, les États-Unis et le Royaume-Uni.

Les neutrinos sont de petites particules élémentaires neutres (c'est-à-dire sans charge électrique) qui interagissent très peu avec la matière. Ils interagissent en fait si peu avec la matière que celle-ci leur paraît transparente, d'où la difficulté de les détecter pour les étudier.

Les étoiles en produisent de grandes quantités. Le Soleil, par exemple, émet 200 trillions de trillions de trillions de neutrinos à chaque seconde. Ainsi, à chaque instant, des milliards de neutrinos traversent le Soleil, la Terre et votre corps sans être gênés. Lors de votre vie, un ou deux neutrinos seulement parviendront à entrer en contact avec un des atomes de votre corps.

Un problème important concernant notre Soleil est précisément relié à sa production de neutrinos. Au début des années 1980, les théories semblent indiquer que le nombre de neutrinos solaires détectés par différents laboratoires est moins élevé que prévu.

Photo couleur d'une sphère brune suspendue et composée d'assemblages métalliques triangulaires. Des hommes se retrouvent de chaque côté de la sphère.

Deux hypothèses s'offrent alors : soit que notre connaissance des processus opérant dans le Soleil est insuffisante, soit qu'une partie des neutrinos changent de forme lors de leur voyage vers la Terre (un phénomène connu pour affecter d'autres particules élémentaires), ce qui fait que le nombre de neutrinos détecté sur Terre est inférieur à celui produit par le Soleil.

Schéma d'un observatoire sous terrain avec un récipient sphérique bleu au centre, entouré d'une structure métallique grillée, dans un espace cylindrique bleu qui protège la structure du sol brun.

En 1983, des chercheurs canadiens proposent de construire un détecteur de neutrinos souterrain dans une mine de nickel de la compagnie Inco, en Ontario. La nécessité de construire le détecteur sous terre provient du fait qu'il faut le protéger des radiations micro-onde émanant du rayonnement de fond cosmologique qui pourraient affecter la détection de neutrinos solaires.

Un an plus tard, en 1984, un chercheur américain présente une étude démontrant les avantages d'utiliser l'eau lourde (une eau dont les atomes d'hydrogène ont un neutron supplémentaire) comme détecteur à neutrinos. Comme le Canada dispose d'une réserve d'eau lourde abondante, on décide alors de construire un détecteur fonctionnant sur ce principe. Les États-Unis se joignent alors au projet, suivis du Royaume-Uni en 1989.

Les travaux débutent en 1990 et se terminent 1999. Le détecteur est composé de 1000 tonnes d'eau lourde ultra-pure enfermée dans un récipient de plastique transparent de 12 mètres de diamètre. Le récipient est lui-même entouré de 7000 tonnes d'eau ordinaire ultra-pure logée dans une immense cavité de 22 mètres de largeur par 34 mètres de hauteur (soit l'équivalent d'un édifice de 10 étages). Il s'agit de la plus grande cavité réalisée à deux kilomètres de profondeur au monde.

À l'extérieur du récipient acrylique se retrouve une sphère géodésique de 17 mètres de diamètre munie de 9600 détecteurs qui décèlent la présence de neutrinos. La fréquence de détection est de un neutrino à l'heure.

Depuis sa mise en service, les résultats ont démontré que les neutrinos changent effectivement de forme lors de leur voyage du Soleil à la Terre, mettant ainsi fin à un vieux débat. Ces travaux démontrent également que les neutrinos ont une masse, ce qui a valu le prix Nobel de physique 2015 à Arthur B. McDonald, directeur de l’Observatoire de Neutrinos de Sudbury.

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