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    l'équipe de recherche du projet ANITA

    Comment les physiciens ont transformé le continent Antarctique en oreille à particules?

    © Photo. Alexandr Novikov
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    Alexandre Novikov, de l'Institut d'ingénierie physique de Moscou (MEPhI) de l'Université nationale de recherche nucléaire, explique pourquoi les chercheurs russes et leurs confrères de la NASA partent chaque année en Antarctique pour y lancer des "ballons gonflables" plutôt originaux et partage ses impressions sur la vie au Pôle Sud de la Terre.

    Sur les traces de Jules Verne

    Chaque année, les chercheurs de l'université d'Hawaï, de la NASA, du MEPhI et d'autres centres scientifiques du monde entier organisent des expéditions en Antarctique, à la base de McMurdo, pour lancer dans l'air polaire froid des aérostats dotés d'équipements de pointe qui se feront porter par le vent pendant les trois ou quatre mois qui suivront.

    Ces ballons recherchent des neutrinos d'ultra-haute énergie, qui sont les traces des plus puissantes explosions et cataclysmes de l'Univers survenant au centre de galaxies situées aux alentours des trous noirs supermassifs et dans d'autres recoins de l'espace, mais dont la nature reste contestée par les astronomes.

    «En réalité, on ne peut pas dire de ces aérostats qu'ils sont anciens ou archaïques: ils peuvent maintenir leur altitude, monter et descendre à différentes heures de la journée et effectuer bien d'autres manœuvres. Ils sont très différents des satellites dans le sens où ils peuvent être réutilisés plusieurs fois, ce qui réduit nettement les dépenses liées aux observations», explique le physicien.

    l'équipe de recherche du projet ANITA
    © Photo. Alexandr Novikov
    l'équipe de recherche du projet ANITA

    De plus, poursuit-il, les aérostats peuvent transmettre et recevoir bien plus de données que les satellites et possèdent plusieurs autres avantages qui ont poussé l'équipe de recherche du projet ANITA (Antarctic Impulse Transient Antenna) à choisir cet "héritage du XIXe siècle" à titre de plate-forme de base pour la panoplie de détecteurs conçus aux USA et au MEPhI.

    Les chercheurs américains participant au projet ANITA recherchent des neutrinos depuis dix ans, pour l'instant sans succès. Mais ce résultat n'est pas aussi décourageant qu'il n'y paraît: on sait qu'un autre projet — l'observatoire Pierre-Auger — n'a découvert qu'une vingtaine ou une trentaine de rayons spatiaux d'ultra-haute énergie malgré plusieurs décennies de travail ininterrompu.

    Contrairement aux neutrinos classiques émis par le soleil et d'autres étoiles, les neutrinos d'ultra-haute énergie, pensent les scientifiques, font leur apparition dans le cadre de processus très inhabituels, notamment la fission de particules de matière sombre, et ces observations ont précisément pour but de découvrir leur nature. Le caractère rarissime de ces particules, indique Alexandre Novikov, a poussé les physiciens à transformer toute l'Antarctique en détecteur géant de neutrinos d'ultra-haute énergie.

    L'Antarctique entend et parle

    «La probabilité de la découverte de cette particule dépend de deux paramètres: la superficie du détecteur et sa durée de fonctionnement. En l'occurrence, c'est la glace de l'Antarctique qui joue le rôle de détecteur. D'autres détecteurs terrestres, ARIANA et ARA, fonctionnent sur le même principe: ils peuvent fonctionner 24h/24 mais enregistrent les informations à une distance très réduite. Notre aérostat nous permet de voir pratiquement tout le continent et d'enregistrer les événements qui se produisent à des centaines de kilomètres de là», précise Alexandre Novikov.

    Comment fonctionne ce détecteur? Grâce à un effet curieux prédit dès 1962 par le physicien-théoricien Gourguen Askarian, qui avait noté que les neutrinos d'ultra-haute énergie «enfreindraient» les lois de la physique en traversant les matériaux très denses qui ne conduisent pas le courant électrique, comme la glace ou le sel, où la lumière se déplace plus lentement que la particule elle-même.

    En règle générale, un tel déplacement «supraluminique» des particules engendre des flashs lumineux, ce qu'on appelle le rayonnement Vavilov-Tcherenkov, mais dans le cas des neutrinos d'ultra-haute énergie, comme l'a montré Gourguen Askarian, ce processus engendrerait des boules de radio- et de micro-ondes aux propriétés particulières. Sur le territoire de l'Antarctique, il n'y a pas de sources d'ondes radio hormis la base scientifique, ce qui permet aux chercheurs de trouver les traces de neutrinos traversant la glace à l'aide de puissantes antennes dont les principes de fonctionnement ressemblent aux radiotélescopes ordinaires.

    Les dimensions de ces antennes ont grandi au fur et à mesure de l'élargissement du projet ANITA, et la version actuelle — la quatrième déjà — se présente comme une imposante batterie de récepteurs radio de sept mètres de haut et pesant plusieurs centaines de kilogrammes. Alexandre Novikov explique que ce complexe d'antennes est soulevé par l'aérostat à 37 km d'altitude, d'où il peut observer pratiquement tout le continent.

    Les premiers lancements de cette antenne, réalisés encore avant l'adhésion des chercheurs russes au projet, ont montré que les signaux radio reçus contenaient un grand nombre de parasites car la surface de l'Antarctique n'était pas parfaitement plate. Comme l'a expliqué le spécialiste, ces signaux parasites doivent être effacés pour au moins tenter de trouver des neutrinos avec les données recueillies par ANITA.

    L'équipe russo-américaine de physiciens dirigée par David Besson, professeur au MEPhI et à l'université du Kansas, a trouvé une solution originale. En expérimentant avec différentes sources de signaux radio, les chercheurs ont soudainement trouvé une méthode très simple et bon marché pour pallier les problèmes de leurs confrères d'ANITA.

    Il s'est avéré que tous les parasites pouvaient être supprimés des données en «bombardant» la surface de l'Antarctique avec un signal radio périodique spécial pouvant être produit en utilisant un simple allumeur électrique pour un four à gaz, qui engendre des décharges électriques quand on appuie sur l'élément piézo-électrique. Pour cela, il a été nécessaire de lancer deux aérostats supplémentaires à une certaine distance d'ANITA qui déterminent leur emplacement dans l'espace à l'aide de photomultiplicateurs conçus par le laboratoire de David Besson au MEPhI.

    «Actuellement nous travaillons au MEPhI à la création de la troisième version du système de calibrage du signal, HiCal-3, qui ne contiendrait pas d'élément piézo-électrique. Contrairement aux aérostats, il peut effectivement être qualifié d'héritage du siècle dernier. En fait, il est identique aux allumeurs que l'on trouve dans le commerce pour faire du feu dans les cheminées et il fonctionne dans des conditions similaires, sauf que c'est un moteur qui appuie sur le bouton au lieu d'un homme. "Ce "briquet" a été très efficace et nous n'avons pas encore réussi à lui trouver un substitut», explique le physicien.

    La vie au-delà du cercle polaire

    La dernière séance de travail d'ANITA a commencé en décembre 2016 pour s'achever au printemps 2017, quand les chercheurs russes et américains ont purgé l'hélium des aérostats puis sont partis en expédition en emportant les disques durs, tout en laissant les antennes et les appareils sur place.

    Comme l'explique Alexandre Novikov, ce choix a été fait car les ballons et les antennes pèsent plusieurs tonnes et ne peuvent être transportés que par avion — alors qu'un atterrissage dans la nuit polaire est très difficile et périlleux.

    Les scientifiques comptent particulièrement sur les nouvelles données qui, indique Alexandre Novikov, pourraient contenir des allusions directes confirmant ou infirmant la description du comportement des neutrinos d'ultra-haute énergie par le Modèle standard de la physique.

    «Pour l'instant nous ne disposons pas de telles données, mais nous n'avons pas encore traité toutes les informations recueilles lors du dernier vol des aérostats. Nous n'avons pas encore réussi à trouver des neutrinos d'ultra-haute énergie mais nos détecteurs ont enregistré le passage, via l'atmosphère, de 14 autres types de rayons spatiaux. Nous espérons que les informations des expéditions de 2014 et de 2016 nous permettront de trouver au moins quelques neutrinos et de vérifier le Modèle standard», poursuit Alexandre Novikov.

    Et d'ajouter que leur découverte permettrait non seulement d'entamer la recherche des sources de ces particules mystérieuses, mais offrirait également à la Terre un accélérateur de particules "gratuit" et permanent capable de les élancer à des vitesses et des énergies bien supérieures aux capacités du Grand collisionneur de hadrons et même des collisionneurs du futur.

    Fin novembre, le physicien russe compte revenir en Antarctique où l'équipe scientifique ANITA partira pour une nouvelle expédition vers les aérostats afin de les évacuer cette fois sur la "terre ferme" pour les préparer à leur prochain vol. Ce processus, simple à première vue, s'accompagne en réalité de grands problèmes et complications liés au cercle polaire.

    «Il n'est pas très agréable et même dangereux de travailler avec l'électronique en Antarctique parce que l'humidité zéro règne sur pratiquement tout le territoire. Le contact avec tout objet métallique ou avec la surface crée pratiquement toujours des décharges d'électricité statique. Il faut travailler très habilement avec les circuits électriques et les puces», témoigne le physicien.

    Les conditions météorologiques et le froid, souligne-t-il, ont causé bien moins de désagréments à ses collègues que l'électricité statique pendant les lancements des aérostats. Mais cette fois, ils partiront en expédition aux abords du pôle, où se trouvent les antennes et les aérostats et où les conditions climatiques seront plus austères.

    Les nouvelles données et les nouveaux lancements d'ANITA, espère Alexandre Novikov, permettront de percer l'un des mystères les plus intéressants et incompréhensibles de l'espace et de dévoiler certains secrets de la naissance de l'Univers grâce à l'observation des particules qui ont pu voyager vers la Terre pendant des milliards d'années.

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    Tags:
    recherche, science, Université nationale de recherche nucléaire (MEPhI), NASA, Antarctique
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