L'un des événements les plus significatifs de l'Année de la science devrait être le lancement d'un télescope à neutrinos géant sur le lac Baïkal. Il a eu lieu le 12 mars. Dmitry Naumov, directeur adjoint du laboratoire des problèmes nucléaires de l'Institut commun de recherche nucléaire, docteur en sciences physiques et mathématiques, a parlé à RG de l'importance de cette installation pour la science russe et mondiale.
- Dmitry Vadimovich, pour que le contribuable comprenne et accepte de dépenser près de 10 milliards de dollars pour la création du célèbre Grand collisionneur de hadrons, les scientifiques ont emballé le boson de Higgs dans un magnifique emballage - l'image d'une "particule divine". Elle a fermé le célèbre modèle standard, reconnu comme la réalisation la plus remarquable de la physique théorique du XXe siècle, et a expliqué d'où vient la masse. Et comment nous convaincre que nous devons laisser des millions de personnes partir à la recherche d'un neutrino incompréhensible. Cette particule n'a même presque pas de masse. Bref, pourquoi les neutrinos sont-ils capturés dans les profondeurs du lac Baïkal?
Dmitry Naumov: Je donnerais cette analogie. Les archéologues mènent des fouilles pour comprendre l'évolution de l'humanité, pour comprendre notre histoire lointaine. Ainsi, le neutrino permettra un aperçu de l'histoire de l'Univers. Découvrez ce qui s'y est passé il y a des millions et même des milliards d'années. Comment les galaxies sont nées et se sont développées. Ce sont les neutrinos qui peuvent devenir un outil pour reconstruire ces événements de longue date.
- N'est-ce pas possible pour des télescopes géants au sol et des observatoires situés dans l'espace?
Dmitry Naumov: Premièrement, ces télescopes ne peuvent pas tout voir. Le fait est que la lumière peut ne pas sortir des régions denses et chaudes de l'Univers ou que le signal peut changer au-delà de la reconnaissance. Deuxièmement, pour que les télescopes optiques aient un endroit où regarder, ils doivent spécifier l'adresse exacte. Après tout, le ciel est immense, les télescopes ne peuvent pas se permettre de fouiller dans le ciel sans fin à la recherche d'objets intéressants. Ils ont besoin des adresses les plus précises possibles pour s'y concentrer le plus possible et effectuer des observations au jour le jour, de mois en mois. C'est un processus long et laborieux. Ainsi, les neutrinos sont les observateurs des adresses spatiales. En fait, sous nos yeux, une nouvelle science est en train de naître: l'astronomie des neutrinos. Jusqu'à tout récemment, cela ressemblait à de la fantaisie, mais maintenant c'est déjà une réalité.
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Dmitry Naumov: Le jeu est basé sur la caractéristique principale du neutrino - il interagit très faiblement avec la matière, qui est presque transparente pour cette particule. Comment l'attraper si elle évite tout contact? Disons qu'à partir du Soleil, ces particules atteignent la Terre et que des milliards de neutrinos par seconde traversent chaque centimètre carré. Mais nous ne les remarquons pas du tout. Nous sommes comme un espace vide pour eux. Par exemple, pour attraper la moitié des neutrinos émis par le Soleil, il faudrait remplir toute la région de l'espace extra-atmosphérique avec du plomb de nous à l'étoile la plus proche Alpha Centauri.
- Neutrino vous permettra de vous pencher sur l'histoire de l'Univers, de découvrir ce qui s'y est passé il y a des millions et même des milliards d'années, comment les galaxies sont nées et se sont développées
Dmitry Naumov: Une telle faiblesse de l'interaction a déconcerté les physiciens - comment le voir, comment travailler avec? Le physicien allemand, lauréat du prix Nobel Wolfgang Pauli, qui a inventé le neutrino purement théoriquement, pensait généralement que nous ne pourrions jamais voir cette particule. Mais ne sous-estimez pas l'ingéniosité des expérimentateurs! Ils ont appris à attraper cette particule étonnante et à reconstruire l'histoire de l'Univers. De plus, la faiblesse de l'interaction neutrino s'est avérée très utile!
- Comment avez-vous réussi à transformer ce désavantage en dignité?
Dmitry Naumov: Ici, nous devons remonter des milliards d'années en arrière, lorsque les premières galaxies émergeaient tout juste dans notre Univers. Ensuite, chaque étoile s'est battue désespérément pour son existence. Les plus chanceux ont dévoré leurs petits voisins et sont devenus plus grands. Cela s'est produit jusqu'à ce que l'étoile insatiable se transforme en un trou noir, qui ne brille presque plus. Mais déjà invisible, il continue de dévorer ses voisins, augmentant sa masse à des millions voire des milliards de masses solaires. De plus, le matériau tombant sur le trou s'échauffe et brille très fortement. Cette merveille du monde est appelée "noyau galactique actif".
Qu'est-ce qu'il est important de souligner? Ni les ondes électromagnétiques, ni les protons, ni les électrons, ni quoi que ce soit d'autre ne peuvent sortir d'un tel enfer sans perdre l'énergie initiale et la direction du mouvement. Seuls les neutrinos. C'est leur phénomène. C'est pourquoi la faiblesse de leur interaction est un énorme avantage. Le plus important est que les neutrinos volent vers la Terre inchangés, ce qui signifie qu'ils transportent des informations précieuses sur les événements de l'Univers qui se sont déroulés il y a des milliards d'années, ainsi que leurs adresses.
- Depuis près de dix ans en Antarctique, le télescope américain IceCube capture des neutrinos. Au fil des ans, la prise, franchement, n'est pas riche, environ 100 particules. Que peut-on reconstruire en les utilisant?
Dmitry Naumov: L'expérience du pôle Sud a réussi à faire une découverte remarquable. Les scientifiques ont découvert que des neutrinos avec d'énormes énergies dépassant les énergies des neutrinos solaires de centaines de millions voire de milliards de fois existent. Cela signifie que quelque part dans l'Univers, il existe des accélérateurs naturels capables d'accélérer des particules à de telles énergies dont nous sur Terre avec nos accélérateurs sommes complètement incapables. Est-ce une découverte importante?
- Je pense que oui.
Dmitry Naumov: Donc, même un neutrino lui suffit, et 100 n'est qu'un cadeau de la nature. Mais où se trouvent ces accélérateurs naturels? Quels mécanismes physiques les régissent? Bien qu'il existe différentes hypothèses. Et nous espérons que les neutrinos que nous avons capturés pourront indiquer précisément la direction dans laquelle les télescopes ordinaires devraient regarder.
L'expérience du pôle Sud utilise la glace comme milieu avec lequel les neutrinos interagissent. Mais la glace redistribue fortement la lumière, il est donc encore difficile de spécifier avec une grande précision l'adresse où le neutrino est né. C'est là qu'entre en jeu le télescope à neutrinos du Baïkal. Il a la précision de déterminer l'adresse plusieurs fois mieux que dans un télescope à glace. Et il y a de l'espoir de trouver des sources de neutrinos!
- À quoi ressemblait notre télescope à côté de l'American IceCube?
Dmitry Naumov: Cela a l'air décent. Nous avons commencé à construire le télescope en 2015 et IceCube a commencé à travailler en 2010. Par conséquent, nous sommes encore plus petits, mais pas mal. Le télescope à neutrinos de Baïkal est déjà le plus grand de l'hémisphère nord avec un volume effectif de 0,35 kilomètre cube. Cette année, nous rattraperons le «sudiste» par cet indicateur, portant le volume à 0,4 kilomètre cube. À l'avenir, ce chiffre sera d'environ un kilomètre cube. Dans le même temps, comme je l'ai dit, la précision de la détermination de la direction du télescope Baïkal est bien meilleure.
Je veux souligner un point fondamental. Bien que la concurrence existe toujours, c'est ainsi que fonctionne le monde moderne, les scientifiques comprennent qu'il est beaucoup plus efficace de travailler ensemble. Par conséquent, notre télescope Baïkal et celui américain, ainsi que le télescope en construction en Méditerranée KM3NeT, font tous une cause commune. Nous sommes unis dans un seul réseau mondial de neutrinos.
- Le télescope américain coûte 270 millions de dollars, et le nôtre est plusieurs fois moins cher. Pourquoi?
Dmitry Naumov: Nous avons simplement eu de la chance. Au Baïkal, deux mois par an, la surface du lac est recouverte d'une couche de glace d'un mètre. Cela nous permet d'installer le télescope à moindre coût et simplement et même de réparer les pièces cassées. Au pôle Sud, des collègues doivent chauffer des trous dans la glace d'un diamètre d'environ un mètre et d'une profondeur de près de trois kilomètres afin d'y immerger leurs détecteurs. C'est très cher. En outre, la livraison de détecteurs au Baïkal avec une infrastructure ferroviaire développée est beaucoup plus facile et moins coûteuse que les opérations spéciales de livraison d'équipement au pôle Sud.
- Qui a participé à la création de notre télescope?
Dmitry Naumov: Les scientifiques de l'Institut de recherche nucléaire de Moscou de l'Académie des sciences de Russie ont été des pionniers dans notre pays et dans le monde. Ils créent cette ligne de recherche depuis les années 1980. Et maintenant, avec le Joint Institute for Nuclear Research de Dubna, ils jouent un rôle de premier plan dans le projet. En outre, des scientifiques et des ingénieurs de l'Université d'État d'Irkoutsk, de l'Université technique d'État de Nizhny Novgorod, de l'Université technique marine d'État de Saint-Pétersbourg, de l'Institut de physique expérimentale et appliquée de l'Université technique tchèque (Prague, République tchèque), de la Faculté de mathématiques, de physique et Informatique de l'Université du nom de Ya.A. Komensky (Bratislava, Slovaquie), Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (Cracovie, Pologne), EvoLogics GmbH (Berlin, Allemagne).
Comment un télescope attrape les neutrinos
Pour attraper un neutrino, vous avez besoin d'un grand volume de la substance la plus transparente avec laquelle il interagit. De plus, le télescope doit être protégé de divers processus d'arrière-plan. Pour cela, l'installation est immergée à une profondeur de 750 m à 1,4 km. Une chaîne de 36 modules optiques (photomultiplicateur et électronique) est ancrée au fond du lac. Lorsque les particules traversent la colonne d'eau, une partie du neutrino «trébuche» sur le noyau de la molécule d'eau. À la suite de cette interaction, de nouvelles particules sont nées, qui brilleront avec le rayonnement bleuâtre de Tchérenkov. Il est enregistré par les modules optiques du télescope. Désormais, le volume d'eau effectif de l'installation, qui participe à la recherche de neutrinos, s'élevait à 0,35 km cube et, à l'avenir, il atteindra un km cube. Le nombre total de modules optiques dépassera 2300 pièces.
De sérieuses passions font rage autour des neutrinos dans le monde scientifique. Le fait est que les physiciens depuis plus de dix ans ne pouvaient pas comprendre pourquoi la loi de conservation de l'énergie ne se réalisait pas dans l'un des phénomènes physiques les plus fondamentaux. La question était si aiguë qu'en 1931, le célèbre physicien danois Niels Bohr a proposé une idée révolutionnaire de non-conservation de l'énergie. Cependant, il y avait une autre explication - l'énergie «perdue» est emportée par une particule inconnue et imperceptible. L'hypothèse de son existence a été avancée en 1930 par le théoricien allemand Wolfgang Pauli. Mais il ne sera jamais découvert, car il n'interagit avec rien. A ce sujet, le scientifique a fait un pari sur une boîte de champagne avec son ami. Et le 15 juin 1956, il a reçu un télégramme des physiciens américains Reines et Cowen disant qu'ils avaient découvert une nouvelle particule - le neutrino.
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