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Deux stages au Japon pour mieux détecter les neutrinos

A l’occasion de la conférence automnale de la Société japonaise de physique, un élève de l’X va présenter les travaux de recherche de deux stages de fin d’études sur la détection des neutrinos. Cette conférence sur le thème de la physique des particules et des rayonnements cosmiques se déroulera du 14 au 17 septembre à l’Université de Shinshu.

Pierre Goux, X2015  et Franz Glessgen, étudiant en Physique des hautes énergies à l’ENSTA ParisTech ont réalisé leur stage de fin d’études de 6 mois à l’Université d’Okayama au Japon afin d’étudier le gadolinium, un composant chimique qui sera ajouté dans l’immense détecteur de neutrinos  Super-Kamiokande pour des études cosmologiques. Ces travaux seront présentés par Pierre Goux lors de la conférence automnale de la Société japonaise de physique (JPS 2018) qui se déroulera du 14 au 17 septembre à l’Université de Shinshu.

Détecter des neutrinos avec Super-Kamiokande

L’expérience Super-Kamiokande installée au Japon a pour objectif de détecter les neutrinos, des particules élémentaires qui sont créées aussi bien au cœur de notre soleil que lors de l’explosion d’une supernovæ. Super-Kamiokande  est constitué d’une cuve de 50 000 tonnes d’eau ultra pure « tapissée » de plus de dix mille détecteurs, des « yeux » capables de détecter des rayons gamma. En effet, les neutrinos ne sont pas directement  détectables. Chaque seconde, ils sont des milliards à nous traverser sans aucun effet sur la matière qui nous compose. Il arrive cependant que l’un de ces neutrinos soit capté en étant absorbé par une molécule d’eau qui réémet un photon très énergétique « gamma ».

Grâce à ce détecteur souterrain de très grande taille, les chercheurs seront bientôt capables de détecter des neutrinos pour mieux comprendre le taux de formation de supernovae depuis le Big Bang jusqu’à nos jours. On estime qu’une explosion de supernovae se produit chaque seconde dans notre univers en dégageant, sous forme de neutrinos, plus de 10 fois l’énergie émise par notre soleil durant toute sa durée de vie !

Amélioration du détecteur

L’année 2018 marque un tournant pour Super-Kamiokande avec une mise à niveau expérimentale pour améliorer ses capacités de détection.  En particulier, il est prévu d’introduire dans la cuve d’eau un élément lourd, le gadolinium,  qui permettra de détecter les neutrinos « reliques » issus d’anciennes explosions de supernovas.

Si ces perspectives de découvertes sont alléchantes, elles nécessitent néanmoins une étude préalable rigoureuse du gadolinium, ce que Pierre Goux et Franz Glessgen ont réalisé pendant leur stage au Japon sous la supervision de Michel Gonin, responsable du groupe Neutrinos au sein du Laboratoire Leprince-Ringuet et de Makoto Sakuda, son homologue de l’université de d’Okayama.

Ils ont en effet  participé à l’élaboration d’une expérience afin d’étudier la désexcitation du gadolinium par émission de rayons gamma et relier leurs résultats à une interprétation théorique concluante. Ces travaux présentés lors de la conférence JPS 2018 permettent ainsi de mieux caractériser les désintégrations gamma du gadolinium qui sera introduit fin 2019 dans la cuve de Super-Kamiokande.

Ces résultats sur le gadolinium intéresseront également des chercheurs et des médecins qui travaillent sur des thérapies « par capture de neutron » pour des cancers du cou ou des tumeurs cérébrales. En effet, comme le rappelle Pierre Goux : « la physique a priori abstraite et théorique peut avoir des applications concrètes ».