MIl y a plus de dix ans, une équipe de scientifiques a décidé de projeter des neutrinos du Fermilab à l’extérieur de Chicago vers une cible enfouie dans une mine d’or abandonnée à 810 miles de là. C’était une grande idée, qui promettait de répondre enfin à des questions vieilles de plusieurs décennies sur ces particules vexantes qui inondent notre univers.
Il faudrait aussi de gros composants : les faisceaux de neutrinos les plus puissants jamais créés, 10 000 tonnes d’argon liquide ultra-pur et 800 000 tonnes de roche excavée. Et 1,7 milliard de dollars, qui seront fournis principalement par le ministère de l’Énergie.
Les neutrinos défient toute définition depuis près de 100 ans.
Après quelques marchandages, le DOE a signé pour 850 millions de dollars, et avec quelques ajustements – et un financement externe – l’expérience épique sur les neutrinos maintenant connue sous le nom de DUNE est née en 2015. Ou du moins a commencé. Depuis lors, il y a eu beaucoup de fouilles, beaucoup de préparatifs au Fermilab et beaucoup de raffinements dans la technologie des détecteurs. Mais pas de neutrinos zappés. Et maintenant, alors que les scientifiques de DUNE demandent plus de temps et plus d’argent, le DOE s’arrête pour demander : quel investissement devraient-ils – et la société – faire dans les grandes expériences de physique fondamentale ?
Le ministère de l’Énergie a amplifié son soutien à la recherche scientifique fondamentale au cours des dernières décennies, ce qui explique en partie son intérêt pour DUNE. Mais il se trouve aussi qu’il a tout intérêt à comprendre les neutrinos. Si leurs scientifiques peuvent comprendre le fonctionnement des neutrinos, ils – et le reste d’entre nous – peuvent acquérir une compréhension beaucoup plus claire des réactions nucléaires, y compris la fusion et la fission et la désintégration radioactive (processus importants pour le DOE car il assume des responsabilités plutôt importantes de conception et le stockage des armes nucléaires et la supervision de la production d’énergie nucléaire).
Cette compréhension potentielle reste un grand si. Les neutrinos défient toute définition depuis près de 100 ans.
À la fin des années 1920, des physiciens étudiant un processus appelé désintégration bêta, dans lequel un neutron se transforme spontanément en un proton et un électron, ont découvert que ces événements ne correspondaient pas entièrement. Soit leur compréhension de ces réactions était biaisée, soit un petit escroc emportait invisiblement un peu d’élan. Et ainsi ils ont trouvé des traces du neutrino : une particule sans masse et sans charge qui ne participait qu’à un ensemble rare de réactions subatomiques.
Malgré cet inconfort – de ne pas avoir prédit d’abord l’existence des neutrinos avec la théorie – la science a avancé, les neutrinos s’occupant principalement de leurs propres affaires, à part quelques interfaces étranges dans divers processus radioactifs que nous avons pu vérifier (comme les réactions de fusion féroces dans le noyau du soleil). Cependant, au fur et à mesure que les expériences évoluaient, de nouveaux problèmes sont apparus. Les appareils conçus pour mesurer le nombre de neutrinos sortant du soleil n’ont enregistré qu’une fraction de ce qu’ils étaient censés faire.
Encore une fois, soit nous nous méprenions sur quelque chose à propos des réactions nucléaires, soit nous nous méprenions sur quelque chose à propos des neutrinos.
Au grand dam de tout le monde, les neutrinos étaient à blâmer. Il s’avère qu’ils n’étaient pas sans masse après tout, ni des entités uniformes, ni stables, ni leurs masses cohérentes. Lorsqu’ils s’envolent du noyau solaire, ils peuvent passer de neutrinos électroniques à neutrinos muoniques à neutrinos tau – et même inversement – leurs masses oscillant en cours de route.
Un examen de 2021 a révélé que DUNE dépassait son budget et était en retard sur le calendrier.
Nous n’avons pas la moindre idée de comment ou pourquoi ces métamorphes font ce qu’ils font. Mais aller au fond de cela pourrait donner lieu à des recherches et des applications plus précises en physique nucléaire (DOE-parler pour les armes et l’énergie).
Le problème réside dans la capture de ces particules dang à étudier. Frustrant, les neutrinos sont partout. Il y a des billions – littéralement, des billions – de neutrinos qui traversent votre corps à chaque seconde. Nous sommes inondés dans une mer infinie d’entre eux. Malgré ces chiffres vertigineux, cependant, si vous avez de la chance, vous pourriez…pourrait-interagir avec un dans toute votre vie.
Et c’est parce qu’ils comptent à peine comme existant. Les particules sans charge ne participent pas aux forces électromagnétiques ou nucléaires fortes. Les limites supérieures actuelles de leurs masses les placent à quelque chose comme 500 000 fois plus légers qu’un électron, et les électrons sont vraiment minuscule. Tout cela rend les interactions réelles avec eux extrêmement rares. Si rare que des décennies de recherche et des milliards de dollars n’ont réussi à en capturer qu’une poignée pour apprendre jusqu’à présent.
Le détecteur Super-Kamiokande, mis en ligne en 1996, avait un coût de démarrage d’environ 100 millions de dollars. Installé au Japon, Super-K (comme on l’appelle affectueusement) utilise 50 000 tonnes métriques d’eau ultra pure pour essayer d’attraper les neutrinos, avec un succès variable. (En 1987, l’observatoire qui l’a précédé a détecté une rafale de neutrinos provenant d’une supernova lointaine – et par “rafale”, j’entends 12 particules.) Une mise à niveau vers Super-K, appelée à juste titre Hyper-K, est désormais estimée à un demi-milliard de dollars.
En Antarctique, le réseau IceCube utilise des chaînes de capteurs d’un kilomètre de long forées dans la calotte glaciaire du pôle Sud. Avec un coût de construction de 279 millions de dollars, plus plus pour continuer à le faire fonctionner, au cours des 12 années écoulées depuis le début des opérations scientifiques d’IceCube, il a capturé un grand total d’environ 100 neutrinos de haute énergie.
Nous n’avons pas la moindre idée de comment ou pourquoi ces métamorphes font ce qu’ils font.
Tout cela est peut-être la raison pour laquelle les bailleurs de fonds, à savoir le ministère de l’Énergie, examinent de près la trajectoire lente et coûteuse de DUNE. DUNE, qui transmettrait des neutrinos du laboratoire Fermi à Lead, dans le Dakota du Sud (siège de l’ancienne expérience Homestake qui étudiait à l’origine les neutrinos solaires), promet le Saint Graal actuel de la physique des neutrinos : comprendre les masses de neutrinos, comprendre les processus nucléaires profonds, et peut-être même comprendre les premiers instants du big bang (qui a produit beaucoup de neutrinos). Des résultats qui pourraient potentiellement débloquer de nouvelles compréhensions de la physique nucléaire fondamentale (et de beaucoup d’autres choses qui intéressent le DOE). Mais un examen de 2021 a révélé que DUNE dépassait son budget et était en retard.
Les plans initiaux prévoyaient l’achèvement de l’opération l’année prochaine. Maintenant, cet objectif est à près d’une décennie. Le budget initial a grimpé à plus de 3 milliards de dollars. Le DOE a reporté l’approbation complète du projet jusqu’à cette année. Après tout, il existe sûrement d’autres voies scientifiques prometteuses qui pourraient bénéficier d’un coup de pouce de 3 milliards de dollars. Et peut-être que les scientifiques pourraient trouver des méthodes encore plus intelligentes et moins lourdes pour sonder l’insaisissable neutrino.
Alors que l’avenir de DUNE est en jeu, fosse à moitié creusée, détecteurs d’argon à moitié testés, ce n’est qu’une des nombreuses conversations difficiles actuelles entre les physiciens et les personnes qui paient pour leur travail. Au fur et à mesure que nous en apprenons davantage sur la nature, il devient extrêmement difficile d’en apprendre encore plus. En réponse, la tendance de la science jusqu’à présent a été de se tourner vers des expériences de plus en plus vastes pour rassembler – puis trier – des quantités massives de données, dans l’espoir d’une révélation. Mais les bailleurs de fonds se méfient de plus en plus des prix élevés. Le télescope spatial James Webb a coûté neuf fois plus cher que prévu à l’origine et est finalement arrivé avec 15 ans de retard. Il ne fait aucun doute que James Webb révélera de nouvelles informations étonnantes sur le cosmos, mais seules les générations futures pourraient être en mesure d’évaluer si nous avons obtenu nos 10 milliards de dollars.
Les expériences de physique de base peuvent être encore plus difficiles à vendre, surtout lorsque nous n’avons pas fait beaucoup de progrès sur la physique des neutrinos depuis des décennies. DUNE révélerait probablement quelque chose du nouveau sur ces petites particules embêtantes qui agacent la physique des hautes énergies depuis près d’un siècle. Mais la question est de savoir quoi – et serait-il suffisamment important pour justifier l’accélération des coûts ?
Malheureusement, la seule façon de le savoir serait de le construire et de l’allumer.
Hélas, les physiciens ne sont pas responsables de l’univers dans lequel nous nous trouvons, ni de ses budgets. Au milieu de l’escalade des coûts et des retards dans les calendriers, sans aucun espoir de salut des neutrinos en vue, nous sommes obligés de nous débattre avec la grande question inconfortable : que vaut la découverte scientifique ? 
Paul M. Sutter est professeur-chercheur en astrophysique à l’Institute for Advanced Computational Science de l’Université Stony Brook et chercheur invité au Flatiron Institute de New York. Il est l’auteur de Votre place dans l’univers : Comprendre notre grande existence désordonnée.
Image principale : Cryostat prototype d’une capacité de 35 tonnes pour LBNF/DUNE, Anode Plane Assemblies – Construction du détecteur prototype DUNE de 35 tonnes. Crédit : Reidar Hahn / Laboratoire Fermi.
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