Scruter l’univers depuis une mine souterraine
À la fin du mois d’octobre, le flanc de la montagne vire à l’orange et au rouge. Avec ses nombreuses maisons anciennes, le village voisin est nimbé d’une atmosphère traditionnelle. Le resplendissant mont Ikeno se dresse au-dessus d’une ancienne mine de zinc et de plomb. Descendez dans la galerie de mine, rectiligne et totalement obscure, et, au bout de 1,7 kilomètres, vous atteindrez le centre de la montagne. Dans un recoin du sombre tunnel, baignée dans la froidure de l’air, une porte s’ouvre sur un monde d’une extrême précision.
Une fois franchie la porte, on entre dans une vaste pièce surmontée d’une coupole. En dessous, la roche a été excavée pour recevoir un réservoir cylindrique d’un rayon de 39,3 mètres et d’une profondeur de 41,4 mètres – suffisamment grand pour contenir trois versions du Bouddha géant de Kamakura empilés les uns sur les autres, et même la statue de la Liberté, dont seule émergerait la torche. En dépit de la grande taille de la caverne, la dureté du gneiss dans lequel elle a été creusée garantit qu’il n’existe aucun risque d’effondrement.
L’entrée de l’observatoire, un kilomètre sous terre
Le réservoir d’observation vidé de toute son eau pour des travaux de maintenance. (Avec l’aimable autorisation de l’Observatoire de Kamioka, Institut de recherche sur les rayons cosmiques, Université de Tokyo)Sur les parois de la cuve, sont accrochés 11 129 photomultiplicateurs (capteurs de lumière) de 50 centimètres de diamètre, qui ressemblent à de gigantesques ampoules. Chacun d’entre eux est si sensible qu’il détecterait la lumière émise sur la Lune par une lampe de poche. Les ampoules, soigneusement façonnées par des artisans verriers, sont revêtues d’une pellicule d’or qui donne aux parois une apparence éthérée de dorure mate. (En dehors des périodes de maintenance, toutefois, la cuve est plongée dans une obscurité totale, et l’alignement des ampoules dorées est donc invisible.)
La cuve contient environ 50 000 tonnes d’eau ultra-pure. Lorsqu’il arrive qu’un neutrino entre en réaction avec l’eau, il émet un cône de lumière bleutée de l’effet Cherenkov. Les photomultiplicateurs alignés sur les parois de la cuve servent à capter cette très faible lumière.
L’extérieur de chacun des tubes photomultiplicateurs est l’œuvre d’un maître verrier.
Écran affichant les neutrinos détectés. Les cercles en haut et en bas représentent le haut et le bas de la cuve, tandis que l’ovale au centre correspond aux données provenant de sa partie cylindrique.En août 2020, les chercheurs se sont lancés dans une opération visant à renforcer la capacité de l’observatoire à détecter les neutrinos : ils ont dissout du gadolinium (élément chimique de numéro atomique 64) dans l’eau de la cuve du Super Kamiokande de façon à obtenir une concentration égale à 0,01 % du fluide. Grâce à cette initiative, l’observatoire est désormais en mesure de discerner les différents types de réactions des neutrinos.
Nakahata explique : « Ceci nous permet de nous assurer de la direction d’une explosion de supernova. Le fait que les supernovas émettent des neutrinos lorsqu’elles explosent a été démontré par SN 1987A, la supernova dont la lumière a atteint la Terre en 1987, mais Kamiokande n’a détecté que 11 de ces particules, et le chiffre cumulé des observatoires américains et russes a plafonné à 24. Certes, l’ajout de gadolinium n’augmentera pas le nombre des neutrinos détectés, mais en revanche, du fait que nous avons désormais 25 fois plus d’eau — et du fait aussi que la Voie lactée est plus proche que le Grand Nuage de Magellan, où a eu lieu SN 1987A —, s’il se produit une explosion de supernova dans notre propre galaxie, Super Kamiokande devrait nous permettre de détecter quelque 10 000 neutrinos. Pour plusieurs centaines d’entre eux, nous devrions en outre être en mesure de détecter la direction. Nous serons ainsi à même de localiser la supernova. »
Autre conséquence de l’amélioration de la sensibilité, il est possible que l’observatoire soit en mesure de détecter non seulement les explosions de supernovas à l’intérieur de la Voie lactée, mais encore, un petit nombre de fois par an, le halo diffus de neutrinos généré par d’anciennes explosions de supernovas.
« L’univers contient des milliers de milliards d’astres lourds qui ont donné lieu à des explosions de supernovas, ce qui veut dire que l’histoire de l’univers a été le théâtre d’une quantité considérable d’explosions. L’expansion de l’espace a généré un glissement vers le rouge des longueurs d’ondes des neutrinos émis par les explosions de jadis. Aussi diffuses soient elles, ces particules continuent de flotter autour de l’univers. C’est le halo de neutrinos de supernovas. En capturant ces particules, nous serons à même de déterminer l’ampleur des explosions qui les ont générées, et de dater ces explosions. »
Les chercheurs utilisent cet appareil pour injecter du gadolinium dans la cuve.
Les scientifiques du monde entier peuvent contrôler l’observatoire à distance.
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