Que peut-on apprendre des neutrinos ?

Dans cette page nous décrivons plus précisément ce sur quoi les chercheurs de Marseille, Montpellier, Nantes, Paris, Rabat et Strasbourg travaillent! Vous avez plus de questions ? N’hésitez pas à nous les envoyer !

– Observer le ciel avec des lunettes multi-messagers !

Depuis des siècles nous observons et essayons de comprendre le ciel grâce à la lumière. Le fait de pouvoir l’observer également avec des neutrinos ou des ondes gravitationnelles par exemple date de moins d’une dizaine d’années !

Une des principales pistes de recherche dans l’astrophysique moderne est de détecter un même phénomène se déroulant dans l’univers grâce à plusieurs messagers: de la lumière + des ondes gravitationnelles + des neutrinos par exemple !

Cela permet de voir et donc de comprendre tous les aspects et caractéristiques d’un phénomène. C’est comme si vous pouviez avoir plusieurs paires de lunettes qui vous montrent des détails différents du paysage: avec une seule paire vous ne verrez que les fleurs proches de vous, avec d’autres vous verrez au loin. En utilisant les deux : à vous la perspective !

Nous avons déjà pu observer la coalescence d’étoiles à neutrons grâce à des ondes gravitationnelles et de la lumière. Et quelques mois plus tard, nous avons vu la première coïncidence de lumière et de neutrinos. Par contre, nous attendons toujours le triplé ondes gravitationnelles, lumière et neutrinos avec beaucoup d’impatience ! Peut-être est-ce pour bientôt ?

– Se préparer pour la prochaine éruption de Supernova !

Des supernovae, explosions de courte durée mais extrêmement lumineuses, sont observées à la mort d’étoiles massives (bien plus lourdes que notre soleil!). Bien que des observations de supernovae à effondrement de noyau soient maintenant effectuées régulièrement grâce à la lumière, les caractéristiques spécifiques de l’effondrement gravitationnel ne peuvent être diagnostiquées que par des neutrinos.

À l’aide de simulations numériques de pointe et de développements théoriques, nous explorons le potentiel des nouveaux modules optiques de  KM3NeT dans la détection de supernovae proches. L’arrivée d’un tel événement proche de nous (c’est-à-dire dans notre galaxie ou son voisinage !) se passe très rarement, en moyenne une fois tous les 30 ans. La dernière ayant eu lieu en 1987, il est primordial d’être prêt pour la prochaine ! 

Nous travaillons non seulement à préparer le détecteur à voir des interactions de neutrinos de basse énergie, mais également à comprendre comment le nombre et l’énergie des neutrinos détectés pourront nous en dire plus sur ce qu’il s’est passé au coeur de l’explosion.

– Percer le mystère de l’oscillation des neutrinos !

Nous avons déjà appris que les neutrinos avaient différentes saveurs, et que cette saveur pouvait changer au cours du temps et de leur voyage dans l’espace. Bien que nous connaissions le phénomène d’oscillations, il nous reste à faire des mesures précises afin de pouvoir le comprendre complètement. La géométrie des senseurs de KM3NeT/ORCA va nous permettre d’identifier la saveur des neutrinos et donc de pouvoir compter combien de neutrinos de chaque saveur ont été détectés. En connaissant le nombre de neutrinos de chaque saveur produit dans l’atmosphère, nous pourrons donc déduire comment ils se sont transformés durant leur voyage vers ORCA !

Verrons-nous plus de neutrinos muoniques que de neutrinos tauoniques ? Comment cette transformation varie en fonction de l’énergie du neutrino ?  Les réponses à ces questions nous permettront de mieux comprendre le phénomène d’oscillation et tous les paramètres qu’il comporte !

– Sonder la composition de la Terre par tomographie !

Le phénomène d’oscillation de saveur des neutrinos atmosphériques qui traversent la Terre est affecté par la densité et la composition de la matière le long de leur chemin. Nous tentons donc d’évaluer et de développer le potentiel de la tomographie des neutrinos atmosphériques, comme méthode alternative pour découvrir la composition de la Terre.

Pour comprendre comment les neutrinos détectés par KM3NeT/ORCA seront affectés par des changements dans la composition des couches internes de la Terre , nous avons recours à des simulations très poussées incluant :

  • la production des neutrinos atmosphériques dans la gamme d’énergie qui nous intéresse
  • la propagation de ces neutrinos à travers la Terre, prenant en compte tous les effets d’oscillation
  • la détection des neutrinos dans ORCA et la reconstruction de leur énergie et leur direction d’arrivée sur la base des informations (par exemple la quantité de lumière) récoltées dans le détecteur
  • la détermination de la sensibilité d’ORCA pour les différentes compositions de l’intérieur de la Terre, à partir de l’étude statistique des larges échantillons de simulation.

Une fois nos neutrinos détectés, nous comparerons les données aux résultats des simulations et pourrons déterminer la composition la plus probable de notre Terre!

Ce projet est réalisé en étroite collaboration avec des géophysiciens basés à l’Institut de Physique du Globe de Paris !