Laboratoire souterrain pour la physique des astroparticules
Un nouveau laboratoire souterrain appelé SNOLAB a été
construit à une profondeur de 6800 pieds dans le même site que SNO,
proche de Sudbury. Cette installation sera l’hôte de plusieurs
expériences qui ont pour but de répondre à certaines
questions comme les propriétés des neutrinos et la nature de la
matière sombre et de la l’énergie sombre et comment
sont elles liées à l’origine de notre univers. Un
laboratoire souterrain est nécessaire pour chercher les
événements rares qui représentent une signature des
neutrinos et de la matière noire (sombre) qui permettront de sonder le
cosmos.
Les différentes expériences d’astroparticules
développées à Queen's sont citées ci-dessous. Vous
trouverez plus de détails pour chaque projet.
L’Observatoire de Neutrinos de Sudbury
L’expérience SNO a été conçu pour
étudier les neutrinos qui arrivent du soleil et montrer
qu’ils peuvent changer de saveur durant leur trajet depuis le coeur du
soleil jusqu’à la terre.
La prise de données a connu la fin en novembre 2006. L’analyse
de ces données continuera par contre jusqu'à 2010. Elle sera
focalisée sur la phase du courant neutre et la combinaison des trois
phases de l’expérience. C’est possible pour les
étudiants qui débuteront en 2007 de travailler sur l’analyse
des données de SNO, conjointement avec d’autres aspects du
détecteur.
Les neutrinos sont considérés comme les particules les plus
classiques de l’univers et sont parmi les plus difficiles à
détecter. La majorité des neutrinos détectés sur
terre proviennent du soleil. Près de 2 % de l’énergie totale
émise par le soleil est éjectée en forme de neutrinos. Les
neutrinos peuvent aussi provenir des désintégrations radioactives,
explosion des supernovas où 99 % de l’énergie produite est
sous forme de neutrinos, ou comme relique du Big Bang.
Le détecteur SNO observe de minuscules flashs de la lumière qui
résulte de l’interaction des neutrinos en utilisons un ensemble de
9600 photomultiplicateurs de 20 cm de diamètre, chacun, sensible à
un seul photon. Le détecteur étant rempli de 1000 tonnes
d’eau lourde, permet la détection des neutrinos via trois
différentes interactions nucléaires. Une analyse très
soigneuse permet d’obtenir des résultats d’une particule dont
les propriétés étaient jusqu'à présent peu
connues.
Recherche de la matière noire en utilisant des gouttelettes surchauffées
PICASSO est une expérience qui veut mettre en évidence
l’existence de la matière noire dans notre système solaire
en utilisant un détecteur avec la technique de gouttelettes
surchauffées. L’expérience est située à SNOLAB
à Sudbury en Ontario. Le groupe à Queen's est chargé du
design, de l’installation et du fonctionnement de tout le système.
Les théories de la supersymétrie favorisées par les
physiciens des particules actuels, prédisent l’existence
d’une particule stable lourde qui interagit seulement par interactions
faibles. Ces particules sont connues sous le nom de WIMP.
PICASSO utilise des minuscules gouttelettes de fréon (200 μm)
suspendues dans un gel comme milieu détecteur des WIMP. Les gouttelettes
sont maintenues à une température très
élevée, et quand un WIMP interagit avec une gouttelette, le
fréon change de phase vers état gazeux. Cette transition
crée une onde choc qui va être détectée par un
capteur piézo-électrique.
Chaque détecteur possède 9 capteurs
piézo-électriques et contient 4,5 litres de gel. Les
détecteurs sont maintenus à une certaine température dans
une enceinte et entourés avec de l’eau qui joue le rôle
d’un blindage afin de réduire les radiations qui proviennent du
bruit de fond. Actuellement, 29 détecteurs sont opérationnels
à SNOLAB, 3 autres sont prévus dans le futur.
Détecteur à scintillateur liquide pour les neutrinos à faible énergie
SNO+ est un projet considéré comme une continuité de
SNO. Il utilisera la plupart des composants du détecteur SNO, à
part que l’eau lourde sera remplacée par un nouveau scintillateur
liquide fait à partir d’Alkylbenzène linéaire. SNO+
sera sensible aux neutrinos solaires à faible énergie
comparé à SNO. Il sera capable également de détecter
les antineutrinos produits par les réacteurs nucléaires et par la
désintégration naturelle des radio-isotopes présents dans
la terre. Ceci permet à SNO+ de couvrir plusieurs domaines, non seulement
la physique du neutrino, mais aussi la physique solaire, la géophysique
et la géochimie.
La mesure de la probabilité de survie des neutrinos solaires des
réactions PEP avec précision, permet à SNO+ de sonder le
couplage qui existe entre les neutrinos et la matière dans la
région sensible aux nouveaux phénomènes. Ceci permettra de
déceler la présence de nouvelles physiques tel que les couplages
non-stantard aux nouvelles particules, ou la présence d’effets
sous-dominants en oscillation à partir de neutrinos stériles.
On peut remplacer le liquide scintillateur par du néodyme, un isotope
qui donne naissance à une double désintégration bêta.
Avec une tonne de néodyme répandu dans le détecteur, SNO+
pourra détecter les événements issus de la double
désintégration bêta sans émission de neutrinos. Ceci
permettra de faire la lumière sur la nature de la conjugaison de charge
du neutrino et sur son échelle de masse. Les deux auront un impact sur
notre compréhension de l’évolution de l’univers.
Comme pour SNO, Queen's est chargée du développement du projet :
la construction durant la transition, la purification du scintillateur et de
l’ingénierie, l’optique du scintillateur liquide, le
détecteur et de la simulation physique. Il y a des opportunités
pour s’impliquer dans différents aspects du projet.
Recherche de la matière noire avec de l'argon liquide
Avec ce prototype, on veut démontrer qu’on peut distinguer les
événements considérés comme bruit de fond des
événements de la matière noire (particules bêta et
gamma), en utilisant de l’argon liquide à un niveau un sur un
milliard. Avec un niveau de bruit de fond très bas, le futur
détecteur devrait être sensible à des sections efficaces
inférieures à 10-46cm2, et augmenter la
sensibilité aux particules de la matière noire d’un facteur
de 1000. La mise en service du détecteur au laboratoire souterrain SNOLAB
est prévue pour 2009.
Le Groupe DEAP à
Queen’s est chargé du design cryogénique, la construction du
système de purification de l’argon liquide, l’étude de
la scintillation, la simulation Monte-Carlo, la calibration du détecteur,
l’analyse des données (DEAP-1) et la conception et le design du
futur détecteur à 1000 kg d’argon. On a projeté
plusieurs études R&D pour le futur détecteur. Ce programme
englobe l’entreposage de la sphère en acrylique dans un
environnement ultra propre, des tests de froid et cryogéniques des
photomultiplicateurs, et les techniques de réduction du radon dans les
composants les plus délicats du détecteur.
Recherche de la matière noire avec des détecteurs cryogéniques
CDMS est conçu pour détecter les très rares interactions
des particules massives WIMP qui interagissent seulement par interactions
faibles, en utilisant des noyaux atomiques. Ceci résoudra le
problème de la matière noire qui date depuis près de 80
ans. Les détecteurs utilisent du germanium (et silicium), cristal simple
maintenu à une basse température, donc un WIMP à faible
énergie permet une remontée de la température. En plus, un
signal d’ionisation est enregistré. La combinaison de ce signal
avec une analyse minutieuse de la forme du signal et la fonction temps
permettent une discrimination efficace du bruit de fond provenant de la
radioactivité de l’environnement.
CDMS fonctionne actuellement avec une cible d’un total de 5 kg à
Soudan, un laboratoire souterrain au Minnesota. Jusqu'à présent
c’est l’expérience la plus sensible au monde dans cette
discipline. Le projet futur pour la prochaine phase, SuperCDMS, est
d’augmenter la masse de la cible à 25 kg, afin
d’améliorer la performance du détecteur. Le détecteur
va être déplacé à SNOLAB pour permettre une meilleure
protection contre les radiations cosmiques.
Queen's a récemment rejoint la collaboration CDMS. On a prévu
d’installer un cryostat à Queen's afin de tester et de
caractériser les nouveaux détecteurs, et de contribuer à
l’analyse des données actuelles et à la mise en place des
équipements à SNOLAB.
Si vous avez des questions ou des commentaires sur le contenu de ce site web, contactez svp
qusno@sno.phy.queensu.ca.