Premières lumières du détecteur à neutrino KM3NeT/ORCA

Le 22 septembre 2017, après deux jours d’opération en mer, la première ligne de détection d’ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) a été mise en service. Il s’agit là d’une étape clef pour le programme scientifique et technologique de la collaboration internationale KM3NeT (Cubic Kilometer Neutrino Telescope) impliquant l’équipe E9 : Astrophysique de basse énergie avec KM3NET. Le détecteur KM3NeT est un télescope à neutrinos de seconde génération installé dans les abysses de la Méditerranée.

Situé en mer Méditerranée à 2437 m de profondeur et à 40 km au large de Toulon, le détecteur ORCA et son jumeau ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss), situé au large de la Sicile, permettront aux scientifiques de KM3NeT d’étudier les propriétés fondamentales des neutrinos et de faire de l’astronomie neutrino, avec des neutrinos cosmiques de haute énergie provenant d’événements cataclysmiques dans l’Univers.

Les neutrinos sont les particules élémentaires les plus insaisissables et leur détection nécessite d’instrumenter d’énormes volumes : les télescopes à neutrinos KM3NeT occuperont plus d’un kilomètre cube d’eau de mer. KM3NeT comprend un réseau de plusieurs centaines de lignes de détection, ancrées au fond de la mer et maintenues par une bouée immergée. Chaque ligne contient 18 modules optiques de type tubes multi-photomultiplicateurs répartis sur toute sa longueur. Dans l’obscurité des abysses, les modules optiques enregistrent la faible lumière Cherenkov émise par les particules secondaires issues de l’interaction des neutrinos dans ou à proximité du détecteur.

Paschal Coyle, le coordinateur pour les analyses de physique de KM3NeT et porte-parole pour KM3NeT-France, explique : « Les neutrinos fantomatiques sont notoirement difficiles à détecter. Une fois terminé, le détecteur dense ORCA captera des centaines de milliers de neutrinos atmosphériques résultant d’interactions des rayons cosmiques dans l’atmosphère terrestre. Cela nous permettra de déterminer lequel des trois types de neutrinos a la masse la plus lourde, ce qui est une question fondamentale en physique des particules. »

© CNRS Images

Pendant l’opération en mer, la première ligne ORCA, enroulée sur son outil de déploiement, comme le fil autour d’une pelote de laine, a été descendue avec précaution du bateau jusqu’à sa position finale sur le fond marin. A l’aide d’un robot sous-marin, piloté à partir d’un second bateau, la ligne toujours empaquetée a été alors connectée à la boîte de jonction de l’infrastructure sous-marine déjà en place.

Els Koffeman, coordinateur technique de KM3NeT, déclare : « Le télescope est protégé des nombreuses particules produites par l’interaction des rayons cosmiques dans l’atmosphère au-dessus du télescope, par la grande épaisseur d’eau de mer entre la surface et le détecteur. La construction d’une infrastructure sous-marine aussi complexe à ces profondeurs et à ces pressions représente un énorme défi technique. Pour ces opérations, nous bénéficions de l’aide de nombreux experts du milieu marin présents dans la région Toulonnaise. Nous utilisons un système de positionnement acoustique de dernière génération pour positionner les lignes de détection sur le fond marin avec une précision inférieure au mètre. »

© CNRS Images

Une fois les connexions électriques et optiques vérifiées avec la station terrestre à La Seyne-sur-Mer, le feu vert a été donné pour déclencher le dépliage de la ligne. Au cours de ce processus, l’outil de déploiement a été libéré de son ancrage et a remonté à la surface par flottaison en tournant sur lui-même. La ligne a été ensuite mise sous tension depuis la station terrestre et les données de ses 558 capteurs de lumière ont commencé à arriver à terre. Les trajectoires des muons descendants, résultant d’interactions de rayons cosmiques avec l’atmosphère au-dessus du détecteur, ont été reconstruites presque immédiatement. La première unité de détection d’ORCA est maintenant pleinement opérationnelle.

Mauro Taiuti, porte-parole de la collaboration KM3NeT, se réjouit : « Le bon fonctionnement de la première ligne d’ORCA est une avancée majeure pour le projet KM3NeT. C’est une nouvelle étape vers la construction des centaines de lignes qui seront déployées sur les deux détecteurs français et italien en mer Méditerranée dans le futur. »

Mise à l’eau des première ligne d’ORCA

Laboratoires français

  • Astroparticules et Cosmologie (APC, CNRS – Université Paris Diderot – CEA – Observatoire de Paris)
  • Centre de Physique des Particules de Marseille (CPPM, CNRS – Aix-Marseille Université)
  • Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien (IPHC, CNRS – Université de Strasbourg)
  • Subatech (CNRS – Université de Nantes – IMT Atlantique)

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