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Antares scrute les fonds marins

Dernière mise à jour : vendredi 27 juin 2008, par Nicolas Busser

Antares scrute les fonds marins de tous ses yeux pour mieux comprendre l’Univers.

La construction du premier télescope sous-marin à neutrinos jamais réalisé vient de s’achever. Depuis le début du mois de juin, les deux dernières lignes de détection d’Antares scrutent le fond de la Méditerranée à la recherche de neutrinos d’origine cosmique. Ce sont désormais 12 lignes de détection qui cherchent à capter ces particules élémentaires, témoins des phénomènes les plus violents de l’Univers. Cet événement récompense les efforts de la collaboration européenne [1] Antares, en particulier ceux du CEA-Irfu, de l’IN2P3-CNRS, de l’INSU-CNRS et de l’Ifremer, acteurs majeurs dans cette aventure.

De l’art d’attraper une particule « fantôme »

Le neutrino est une particule élémentaire sans charge électrique qui interagit très faiblement avec la matière : contrairement aux autres particules, ce « passe-muraille » est capable de traverser l’Univers en ligne droite sans être arrêté par la matière ou dévié par les champs magnétiques qu’il rencontre sur son passage. Il est ainsi un messager unique en son genre qui peut aider les astrophysiciens à observer et à mieux comprendre certains objets, sièges de phénomènes cataclysmiques. Le neutrino permet d’ouvrir une nouvelle fenêtre d’observation sur l’Univers... à condition toutefois d’être détecté, ce qui est loin d’être évident puisqu’il interagit très peu avec la matière. Le détecteur susceptible de repérer sa trace doit, par conséquent, être le plus grand possible afin d’accroître les chances de l’intercepter.

Le défi a été relevé en 1996 par des équipes du CEA et du CNRS et c’est ainsi que le projet Antares [2] a vu le jour. Après une longue période d’étude des propriétés du milieu marin, une première ligne de détection souple de 400 mètres de haut a été immergée en février 2006 par 2500 mètres de profondeur au large de Toulon, grâce au savoir-faire et aux équipements de l’Ifremer. Aujourd’hui, ce sont 12 lignes qui sont ancrées aux fonds marins sur un espace équivalent à 4 terrains de football. Elles sont équipées de près de 900 modules optiques, les « yeux » du télescope, imaginés et construits par les équipes Antares. La moitié des lignes a été assemblée au Centre de physique des particules de Marseille (CNRS/Université de la Méditerranée), laboratoire support de l’expérience, l’autre moitié à l’Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (CEA Irfu, Saclay).

Le détecteur Antares est protégé du bruit de fond que constitue le rayonnement cosmique par les 2000 mètres d’eau qui le recouvrent. Ces profondeurs abyssales permettent de bénéficier d’une obscurité totale, à peine troublée par quelques animaux bioluminescents. Le principe du télescope Antares est de faire de la Terre elle-même la cible des neutrinos. Le globe terrestre laisse passer les neutrinos mais arrête les autres particules. Certains de ces neutrinos, en traversant la Terre, vont entrer en collision avec le noyau d’un atome. Cette rencontre, statistiquement très rare, produit un muon, une particule chargée voisine de l’électron, qui se déplace dans la même direction que le neutrino d’origine. Ce muon peut parcourir jusqu’à une dizaine de kilomètres dans la croûte terrestre. En émergeant dans l’eau, il laisse derrière lui un sillage très faiblement lumineux. C’est ce sillage ascendant laissé par le muon que détectent les « yeux » d’Antares. Ainsi, c’est le ciel de l’hémisphère Sud qui est observé au travers de la Terre. Cette portion de ciel inclut le centre galactique, siège de phénomènes extrêmement violents.

Le neutrino : une nouvelle fenêtre ouverte sur l’Univers

En traquant les neutrinos cosmiques, le télescope Antares cherche à faire progresser l’astronomie de haute énergie. Ces dernières décennies en effet, les astronomes ont découvert de nombreuses sources de photons de très haute énergie (galaxies abritant des trous noirs super massifs, restes de supernovae, émetteurs de sursauts gamma...). Ces photons pourraient être issus de l’interaction de protons ultra-énergétiques, qui pourraient constituer le rayonnement cosmique qui bombarde la Terre. Ces réactions nucléaires produiraient également des neutrinos cosmiques. Pour observer ces phénomènes cataclysmiques, les physiciens des astroparticules ne peuvent s’appuyer sur la détection des photons et des protons car, à très haute énergie, ces particules peuvent être arrêtées par la matière, ce qui rend leur observation dans l’Univers lointain difficile. Les neutrinos de haute énergie, qui traversent l’Univers en ligne droite, sont en revanche des témoins directs de ces phénomènes extrêmement violents. Leur détection par Antares devrait apporter aux astrophysiciens un éclairage unique sur ces phénomènes et dessiner petit à petit une nouvelle carte du ciel.

L’observation des neutrinos de plus basse énergie, issus de l’accumulation de matière noire au centre du Soleil ou de la Galaxie, est un autre sujet d’étude pour Antares. Depuis 70 ans, la masse manquante de l’Univers (95% de sa masse totale) est une des questions centrales de la cosmologie. Une partie de cette masse manquante pourrait être constituée de particules élémentaires massives appelées wimps (weakly interacting massive particle). La théorie physique dite de la « supersymétrie » en prédit l’existence et prédit également que ces particules s’accumuleraient au centre d’objets massifs comme la Terre ou le Soleil. Les wimps sont à la fois particules et antiparticules. En s’accumulant elles finiraient par s’annihiler en produisant une bouffée d’énergie et de particules, dont des neutrinos de basse énergie.

Antares constitue également une infrastructure scientifique sous-marine permanente et multidisciplinaire, déjà équipée d’instruments, certains regroupés sur une treizième ligne spécifique : sismographes, mesures de la température, de la concentration en oxygène, caméra à l’affut de la faune abyssale... Ils permettront d’apporter des éléments de réponse aux questions posées par d’autres domaines scientifiques comme l’océanographie ou la climatologie, en association avec des laboratoires de l’INSU (COM, GeoAzur).

Bien que le détecteur soit tout juste déployé en totalité, grâce aux données enregistrées avec les lignes déjà installées, les physiciens ont déjà identifié plusieurs centaines de neutrinos issus de l’interaction du rayonnement cosmique dans l’atmosphère aux antipodes du détecteur. Parmi ceux-là pourraient se cacher quelques neutrinos issus d’une source située aux confins de l’Univers. Seule l’accumulation des données permettra de les débusquer. Le neutrino est si difficile à capturer que les physiciens travaillent déjà à un détecteur beaucoup plus grand, de taille kilométrique qui ouvrira en grand cette nouvelle fenêtre d’observation sur l’Univers.

L’implication des laboratoires alsaciens dans Antarès

Deux unités de recherche alsaciennes sont partenaires du projet : le Groupe de recherche en physique des hautes énergies (GRPHE) de l’UHA et un groupe de l’Institut pluridisciplinaire Hubert Curien (IPHC), unité mixte CNRS-ULP.
L’IPHC a mis au point la carte électronique « front end » et assuré le suivi de fabrication des 1 000 cartes qui équipent le télescope. Cette carte est celle qui lit le signal analogique issu des photomultiplicateurs, qui le digitalise et le transmet au système d’acquisition. L’IPHC est aussi fortement impliqué dans la conception, la construction et l’installation sur les lignes du contrôle asynchrone (ou contrôle lent) du détecteur.
Le GRPHE est le responsable de la conception, de la maintenance et du développement de la base de données d’Antares. Les deux groupes étudient également les performances et la réponse du détecteur à certains signaux astrophysiques tels que les sursauts gamma, les ondes gravitationnelles et les neutrinos de très haute énergie.
Antarès Alsace a bénéficié pour ces recherches d’un support régional dans le cadre du précédent CPER.

Contacts

  • Chercheur
    Chantal Racca - IPHC
    03 88 10 64 27
  • Presse
    Michèle Bauer - délégation Alsace du CNRS
    03 88 10 67 14

[1Plus de 150 chercheurs, ingénieurs et techniciens présents en Allemagne, Espagne, Italie, Pays-Bas, Roumanie, Russie et dans les laboratoires français suivants : Centre de physique des particules de Marseille (CNRS/université de la Méditerranée) ; CEA/Irfu (Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers, centre de Saclay) ; Groupe de recherche en physique des hautes énergies Université de Haute-Alsace) ; Institut pluridisciplinaire Hubert Curien (CNRS/Université Louis Pasteur) ; Astroparticule et cosmologie (CNRS, CEA, Université Paris Diderot, Observatoire de Paris) ; Géosciences Azur (CNRS, IRD, Observatoire de la côte d’Azur, Université de Nice, Université Pierre et Marie Curie) ; Centre d’océanologie de Marseille (CNRS/Université de la Méditerranée) ; Laboratoire d’astrophysique de Marseille (CNRS/Université de Provence) ; Ifremer (centre de Toulon/La Seyne-sur-Mer et centre de Brest).

[2Le financement du projet Antares est assuré grâce à la contribution du CEA (DSM/Irfu), du CNRS, 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).