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La cible de l'installation CNGS au CERN qui va permettre la production des faisceaux de neutrinos

Neutrinos, prêts, partez !

Cet été, le CERN a donné le signal de départ de la grande course des neutrinos vers l’Italie. L’installation CNGS (Neutrinos du CERN vers le Gran Sasso), nichée dans le complexe d’accélérateurs du Laboratoire, a produit son premier faisceau de neutrinos. Des milliards de neutrinos étaient pour la première fois envoyés à travers l’écorce terrestre jusqu’au Laboratoire de Gran Sasso en Italie, à 732 kilomètres de là ; un voyage effectué quasiment à la vitesse de la lumière en moins de… 2,5 millisecondes ! L’expérience OPERA au Laboratoire de Gran Sasso était ensuite mise en service, enregistrant les premières traces de neutrinos.

La trajectoire du faisceau de neutrinos

Le projet CNGS doit percer certains des mystères qui entourent les neutrinos. Neutres et extrêmement légères, ces particules interagissent très peu avec la matière : elles envahissent l’Univers, mais sont quasiment insaisissables. Nous sommes traversés chaque seconde par 400 000 milliards de neutrinos, mais seulement un ou deux seront diffusés par notre corps au cours de notre vie entière. Cette grande difficulté à les intercepter explique en partie le mystère qui les entoure.

On sait qu’il existe trois types de neutrinos : le neutrino de l’électron, le neutrino du muon et le neutrino du tau. Mais, les physiciens s’interrogent sur le flux de neutrinos en provenance du Soleil, bien moins important que prédit par la théorie. Ce déficit »pourrait être dû à une transformation – ou oscillation – des neutrinos d’une saveur en une autre, processus qui a été observé par des expériences récentes. Ce phénomène d’oscillation est directement relié à une autre grande question qui taraude les physiciens, celle de la masse des neutrinos. L’oscillation a montré que les neutrinos avaient une masse, mais elle n’est toujours pas déterminée. La masse des neutrinos est cruciale. Ces particules, même infiniment légères, pourraient contribuer à la mystérieuse matière noire de l’Univers, invisible pour les télescopes, mais dont on observe les effets gravitationnels. Une meilleure connaissance de la masse des neutrinos permettrait également de compléter le puzzle de la théorie des forces fondamentales de la Nature et aiderait à comprendre pourquoi la matière domine notre Univers au détriment de l’antimatière.

Le projet CNGS doit mettre en évidence cette oscillation supposée se produire sur de longues distances. Pour y parvenir, une première expérience, OPERA, a été mise en service au Laboratoire de Gran Sasso, niché à 1440 mètres sous la roche. L’énorme détecteur d’OPERA, de 1800 tonnes, doit identifier les neutrinos du tau qui se seront transformés à partir de neutrinos du muon au cours de leur voyage, démontrant par là même l’oscillation. OPERA devrait intercepter et détecter environ 25 neutrinos du muon sur les cent milliards qui lui parviendront chaque jour. Environ quinze neutrinos du tau issus des oscillations devraient être détectés en cinq ans. A terme, une deuxième expérience, ICARUS, devrait être mise en service.

Le tunnel de CNGS au CERNLa production d’un faisceau de neutrinos de haute intensité au CERN requiert une installation complexe. Un faisceau de protons formé et accéléré dans les accélérateurs du CERN est envoyé sur une cible de graphite pour donner naissance à des particules nommées pions et des kaons. Ces particules entrent dans un système de deux cornes magnétiques qui les focalisent en un faisceau parallèle dirigé vers le Gran Sasso. Puis, le long d'un tunnel de 1000 mètres, pions et kaons se désintègrent en muons et neutrinos du muon. A la sortie de ce tunnel de désintégration, un bloc de graphite et de métal de 18 mètres d’épaisseur absorbe les protons, pions et kaons qui ne se sont pas désintégrés. Les muons sont arrêtés par la roche. Les neutrinos du muon quittent les galeries du CERN, et, tels des passe-murailles, effectuent leur course de 732 kilomètres vers l’Italie.

septembre 2006

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