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Sous le lac le plus profond du monde, le télescope Baïkal est assemblé pour chasser les particules fantômes

Un orbe de verre, de la taille d’un ballon de plage, s’enfonce dans un trou dans la glace et descend sur un câble métallique vers le fond du lac le plus profond du monde. Puis un autre et un autre. Ces orbes de détection de lumière s’immobilisent suspendus dans les profondeurs de l’obscurité jusqu’à 4000 pieds sous la surface. Le câble qui les transporte contient 36 orbes de ce type, espacés de 50 pieds. Il y a 64 câbles de ce type, maintenus en place par des ancres et des bouées, à 2 miles au large de la côte sud déchiquetée de ce lac de Sibérie avec un fond qui est à plus de 1 mile.

Il s’agit d’un télescope, le plus grand du genre dans l’hémisphère nord, construit pour explorer les trous noirs, les galaxies lointaines et les restes d’étoiles explosées. Il le fait en recherchant des neutrinos, des particules cosmiques si minuscules que plusieurs milliards de milliards traversent chacun de nous chaque seconde. Si seulement nous pouvions apprendre à lire les messages qu’ils véhiculent, croient les scientifiques, nous pourrions cartographier l’univers et son histoire d’une manière que nous ne pouvons pas encore comprendre pleinement.

«Vous ne devriez jamais manquer l’occasion de poser des questions à la nature», a déclaré Grigori V Domogatski, 80 ans, un physicien russe qui a mené la quête de la construction de ce télescope sous-marin pendant 40 ans. Après une pause, il a ajouté: « Vous ne savez jamais quelle réponse vous obtiendrez. »

Il est encore en construction, mais le télescope dont Domogatski et d’autres scientifiques rêvent depuis longtemps est plus proche que jamais de produire des résultats. Et cette chasse aux neutrinos des confins du cosmos, couvrant des époques en géopolitique et en astrophysique, met en lumière la façon dont la Russie a réussi à préserver certaines des prouesses scientifiques qui ont caractérisé l’Union soviétique – ainsi que les limites de cet héritage.

L’aventure du lac Baïkal n’est pas le seul effort pour chasser les neutrinos dans les endroits les plus reculés du monde. Des dizaines d’instruments recherchent les particules dans des laboratoires spécialisés partout sur la planète. Mais le nouveau projet russe sera un complément important aux travaux d’IceCube, le plus grand télescope à neutrinos du monde, un projet de 279 millions de dollars dirigé par les Américains qui englobe environ un quart de mille cube de glace en Antarctique.

En utilisant une grille de détecteurs de lumière similaire au télescope Baïkal, IceCube a identifié un neutrino en 2017 qui, selon les scientifiques, provenait presque certainement d’un trou noir supermassif. C’était la première fois que des scientifiques identifiaient une source de pluie de particules à haute énergie de l’espace connue sous le nom de rayons cosmiques – une percée pour l’astronomie des neutrinos, une branche qui n’en est qu’à ses débuts.

Les praticiens du domaine croient qu’en apprenant à lire l’univers à l’aide de neutrinos, ils pourraient faire de nouvelles découvertes inattendues – tout comme les fabricants de lentilles qui ont développé le télescope pour la première fois n’auraient pas pu imaginer que Galilée l’utiliserait plus tard pour découvrir les lunes de Jupiter.

«C’est comme regarder le ciel la nuit et voir une étoile», a déclaré Francis L. Halzen, astrophysicien à l’Université du Wisconsin, à Madison, et directeur d’IceCube, dans une interview téléphonique, décrivant l’état actuel de la chasse. pour les particules fantomatiques.

Les premiers travaux des scientifiques soviétiques ont inspiré Halzen dans les années 1980 à construire un détecteur de neutrinos dans la glace antarctique. Maintenant, Halzen dit que son équipe pense avoir trouvé deux sources supplémentaires de neutrinos arrivant des profondeurs de l’espace – mais il est difficile d’en être certain car personne d’autre ne les a détectés. Il espère que cela changera dans les années à venir avec l’expansion du télescope Baïkal.

  Sous le lac le plus profond du monde, le télescope Baïkal est assemblé pour chasser les particules fantômes

Le télescope à neutrinos sous-marin profond Baikal Gigaton Volume Detector (Baikal-GVD), un projet international dans le domaine de la physique des astroparticules et de l’astronomie des neutrinos, a été mis en place pour une cérémonie de lancement sur le lac Baïkal, en Russie, le 13 mars 2021. Crédit d’image: VCG

«Nous devons être superconservateurs parce que personne, pour le moment, ne peut vérifier ce que nous faisons», a déclaré Halzen. «C’est excitant pour moi d’avoir une autre expérience avec laquelle interagir et échanger des données.»

Dans les années 1970, malgré la guerre froide, les Américains et les Soviétiques travaillaient ensemble pour planifier un premier détecteur de neutrinos en eau profonde au large des côtes d’Hawaï. Mais après l’invasion de l’Afghanistan par l’Union soviétique, les Soviétiques ont été expulsés du projet. Ainsi, en 1980, l’Institut de recherche nucléaire de Moscou a lancé son propre effort de télescope neutrino, dirigé par Domogatski. L’endroit à essayer semblait évident, même s’il était à environ 2500 km: Baïkal.

Le projet n’est pas allé bien au-delà de la planification et de la conception avant l’effondrement de l’Union soviétique, jetant de nombreux scientifiques du pays dans la pauvreté et leurs efforts dans le désarroi. Mais un institut en dehors de Berlin, qui est rapidement devenu une partie du centre allemand de recherche sur les particules DESY, a rejoint l’effort de Baïkal.

Christian Spiering, qui dirigeait l’équipe allemande, se souvient avoir expédié des centaines de livres de beurre, de sucre, de café et de saucisses pour soutenir les expéditions hivernales annuelles sur la glace du Baïkal. Il a également apporté à Moscou des milliers de dollars en espèces pour compléter les maigres salaires des Russes.

Au milieu des années 1990, l’équipe russe avait réussi à identifier les neutrinos «atmosphériques» – ceux produits par les collisions dans l’atmosphère terrestre – mais pas ceux en provenance de l’espace extra-atmosphérique. Il faudrait un plus gros détecteur pour cela. Alors que la Russie commençait à réinvestir dans la science dans les années 2000 sous le président Vladimir Poutine, Domogatski a réussi à obtenir plus de 30 millions de dollars de financement pour construire un nouveau télescope Baïkal aussi grand que IceCube.

L'un des orbes qui composent la construction inhabituelle du détecteur du télescope Baïkal.  Crédit d'image: Kirill Shipitsin / Spoutnik Kirill Shipitsin / Spoutnik / AFP

L’un des orbes qui composent la construction inhabituelle du détecteur du télescope Baïkal. Crédit d’image: Kirill Shipitsin / Spoutnik Kirill Shipitsin / Spoutnik / AFP

Le télescope Baïkal regarde vers le bas, à travers toute la planète, de l’autre côté, vers le centre de notre galaxie et au-delà, utilisant essentiellement la Terre comme un tamis géant. Pour la plupart, des particules plus grosses frappant le côté opposé de la planète finissent par entrer en collision avec des atomes. Mais presque tous les neutrinos – dont 100 milliards passent par le bout de votre doigt toutes les secondes – continuent, essentiellement, sur une ligne droite.

Pourtant, lorsqu’un neutrino, extrêmement rarement, frappe un noyau atomique dans l’eau, il produit un cône de lumière bleue appelé rayonnement Tchérenkov. L’effet a été découvert par le physicien soviétique Pavel A. Cherenkov, l’un des anciens collègues de Domogatski dans le couloir de son institut de Moscou.

Si vous passez des années à surveiller un milliard de tonnes d’eau profonde pour détecter des éclairs inimaginablement minuscules de lumière Tchérenkov, pensent de nombreux physiciens, vous finirez par trouver des neutrinos qui peuvent être retracés jusqu’à des conflagrations cosmiques qui les ont émis à des milliards d’années-lumière.

L’orientation des cônes bleus révèle même la direction précise d’où proviennent les neutrinos qui les ont provoqués. En n’ayant pas de charge électrique, les neutrinos ne sont pas affectés par les champs magnétiques interstellaires et intergalactiques et d’autres influences qui brouillent les chemins d’autres types de particules cosmiques, comme les protons et les électrons. Les neutrinos traversent l’univers aussi directement que la gravité einsteinienne le permet.

Guirlandes de détecteurs de neutrinos individuels qui composent l'observatoire du Baïkal.  Crédit d'image: Laboratoire Dzhelepov des problèmes nucléaires

Guirlandes de détecteurs de neutrinos individuels qui composent l’observatoire du Baïkal. Crédit d’image: Laboratoire Dzhelepov des problèmes nucléaires

C’est ce qui rend les neutrinos si précieux pour l’étude des événements les plus précoces, les plus lointains et les plus violents de l’univers. Et ils pourraient aider à élucider d’autres mystères, comme ce qui se passe lorsque des étoiles beaucoup plus massives que le soleil s’effondrent en une boule superdense de neutrons d’environ 20 km de diamètre – émettant d’énormes quantités de neutrinos.

«Il parcourt l’univers, ne heurtant pratiquement rien ni personne», a déclaré Domogatski à propos du neutrino. «Pour cela, l’univers est un monde transparent.»

Parce qu’il regarde essentiellement à travers la planète, le télescope Baïkal étudie le ciel de l’hémisphère sud. Cela en fait un complément à IceCube en Antarctique, avec un projet européen en Méditerranée qui en est à une phase de construction plus précoce.

«Nous avons besoin d’un équivalent à IceCube dans l’hémisphère nord», a déclaré Spiering, qui reste impliqué dans les projets IceCube et Baikal.

Domogatski a déclaré que son équipe échangeait déjà des données avec des chasseurs de neutrinos ailleurs et qu’elle avait trouvé des preuves étayant les conclusions d’IceCube sur les neutrinos arrivant de l’espace extra-atmosphérique. Pourtant, il reconnaît que le projet Baïkal est loin derrière les autres dans le développement du logiciel informatique nécessaire pour identifier les neutrinos en temps quasi réel.

Malgré l’importance du projet, il fonctionne toujours avec un budget restreint – la quasi-totalité des quelque 60 scientifiques travaillant sur le télescope passent généralement février et mars dans leur camp de Baïkal, à installer et à réparer ses composants. IceCube, en revanche, implique quelque 300 scientifiques, dont la plupart ne sont jamais allés au pôle Sud.

De nos jours, Domogatski ne rejoint plus les expéditions hivernales annuelles au Baïkal. Mais il travaille toujours dans le même institut de l’ère soviétique où il a maintenu son rêve de neutrinos à flot à travers le communisme, les années 90 chaotiques et plus de deux décennies de règne de Poutine.

«Si vous entreprenez un projet, vous devez comprendre que vous devez le réaliser dans toutes les conditions qui se présentent», a déclaré Domogatski, frappant sur son bureau pour insister. «Sinon, il ne sert à rien de commencer.»

Anton Troianovski et Sergey Ponomarev. c.2021 The New York Times Company

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