Sous le mont Ikeno, au Japon, dans une ancienne mine qui se trouve à mille mètres (3300 pieds) sous la surface, se trouve l'observatoire Super-Kamiokande (SKO). Depuis 1996, date à laquelle il a commencé à effectuer des observations, les chercheurs utilisent le détecteur Cherenkov de cette installation pour rechercher des signes de désintégration de protons et de neutrinos dans notre galaxie. Ce n'est pas une tâche facile, car les neutrinos sont très difficiles à détecter.
Mais grâce à un nouveau système informatique qui pourra surveiller les neutrinos en temps réel, les chercheurs du SKO pourront étudier ces particules mystères de plus près dans un avenir proche. Ce faisant, ils espèrent comprendre comment les étoiles se forment et finissent par s'effondrer dans des trous noirs, et découvrir un aperçu de la façon dont la matière a été créée dans l'Univers primitif.
Les neutrinos, en termes simples, sont l'une des particules fondamentales qui composent l'Univers. Comparées à d'autres particules fondamentales, elles ont très peu de masse, sans frais, et n'interagissent avec d'autres types de particules que par la force et la gravité nucléaires faibles. Ils sont créés de plusieurs façons, notamment par la décroissance radioactive, les réactions nucléaires qui alimentent une étoile et les supernovae.
Conformément au modèle Big Bang standard, les neutrinos restants de la création de l'Univers sont les particules les plus abondantes qui existent. À tout moment, des milliers de milliards de ces particules se déplaceraient autour de nous et à travers nous. Mais en raison de la façon dont ils interagissent avec la matière (c'est-à-dire seulement faiblement), ils sont extrêmement difficiles à détecter.
Pour cette raison, les observatoires de neutrinos sont construits profondément sous terre pour éviter les interférences des rayons cosmiques. Ils s'appuient également sur les détecteurs Cherenkov, qui sont essentiellement des réservoirs d'eau massifs qui ont des milliers de capteurs qui tapissent leurs murs. Ceux-ci tentent de détecter les particules lorsqu'elles sont ralenties à la vitesse locale de la lumière (c'est-à-dire la vitesse de la lumière dans l'eau), qui est mise en évidence par la présence d'une lueur - connue sous le nom de rayonnement Cherenkov.
Le détecteur du SKO est actuellement le plus grand au monde. Il se compose d'un réservoir cylindrique en acier inoxydable de 41,4 m (136 pi) de hauteur et de 39,3 m (129 pi) de diamètre, et contient plus de 45 000 tonnes métriques (50 000 tonnes américaines) d'eau ultra-pure. À l'intérieur, 11 146 tubes photomultiplicateurs sont montés, qui détectent la lumière dans les gammes ultraviolette, visible et proche infrarouge du spectre électromagnétique avec une sensibilité extrême.
Pendant des années, les chercheurs du SKO ont utilisé l'installation pour examiner les neutrinos solaires, les neutrinos atmosphériques et les neutrinos artificiels. Cependant, ceux qui sont créés par les supernovas sont très difficiles à détecter, car ils apparaissent soudainement et difficiles à distinguer des autres. Cependant, avec le système informatique nouvellement ajouté, les chercheurs de Super Komiokande espèrent que cela changera.
Comme l'a expliqué Luis Labarga, physicien à l'Université autonome de Madrid (Espagne) et membre de la collaboration, dans une récente déclaration au Scientific News Service (SINC):
«Les explosions de supernova sont l'un des phénomènes les plus énergétiques de l'univers et la majeure partie de cette énergie est libérée sous forme de neutrinos. C'est pourquoi la détection et l'analyse des neutrinos émis dans ces cas, autres que ceux du Soleil ou d'autres sources, sont très importants pour comprendre les mécanismes de formation des étoiles à neutrons –un type de vestige stellaire– et des trous noirs ”.
Fondamentalement, le nouveau système informatique est conçu pour analyser les événements enregistrés dans les profondeurs de l'observatoire en temps réel. S'il détecte un flux anormalement important de neutrinos, il alertera rapidement les experts aux commandes. Ils pourront alors évaluer la signification du signal en quelques minutes et voir s'il provient réellement d'une supernova voisine.
"Pendant les explosions de supernova, un nombre énorme de neutrinos est généré dans un espace de temps extrêmement petit - quelques secondes - et c'est pourquoi nous devons être prêts", a ajouté Labarga. "Cela nous permet de rechercher les propriétés fondamentales de ces particules fascinantes, telles que leurs interactions, leur hiérarchie et la valeur absolue de leur masse, leur demi-vie, et sûrement d'autres propriétés que nous ne pouvons même pas encore imaginer."
Tout aussi important est le fait que ce système donnera au SKO la capacité d'émettre des alertes précoces aux centres de recherche du monde entier. Les observatoires terrestres, où les astronomes souhaitent observer la création de neutrinos cosmiques par la supernova, pourront alors diriger à l'avance tous leurs instruments optiques vers la source (car le signal électromagnétique mettra plus de temps à arriver).
Grâce à cet effort de collaboration, les astrophysiciens peuvent être en mesure de mieux comprendre certains des neutrinos les plus insaisissables de tous. Discerner comment ces particules fondamentales interagissent avec les autres pourrait nous rapprocher d'une Grande Théorie Unifiée - l'un des principaux objectifs de l'Observatoire Super-Kamiokande.
À ce jour, seuls quelques détecteurs de neutrinos existent dans le monde. Il s'agit notamment du détecteur Irvine-Michigan-Brookhaven (IMB) en Ohio, du Subdury Neutrino Observatory (SNOLAB) en Ontario, au Canada, et du Super Kamiokande Observatory au Japon.
