Les États-Unis mèneront des tests de détection de neutrinos sous-marins dans les lacs Supérieur et Vermilion

D'octobre 2026 à environ avril 2027, une équipe de chercheurs d'universités et du gouvernement américains mènera des tests de neutrinos sous-marins dans les lacs Supérieur et Vermilion. Le projet, baptisé Experimental Neutrino Detector (END), vise à valider un système de détection de base dans des plans d'eau naturels, capable d'identifier le faisceau de neutrinos NuMI produit par le Fermi National Accelerator Laboratory et de le distinguer du bruit de fond des rayons cosmiques et d'autres interférences en environnement aquatique peu profond.

END placera des détecteurs de neutrinos sous-marins au fond du lac Supérieur (voir image), là où la ligne de faisceau de neutrinos de Fermilab traverse le lac, près de Two Harbors, dans le Minnesota. Cette ligne de faisceau continuera vers le nord, en direction des sites de détection de neutrinos déjà établis au lac Soudan (lac Vermilion) et à Ash River, dans le Minnesota. Crédit image : Université du Minnesota à Duluth

Le projet END exploitera le passage du faisceau NuMI sous les lacs du nord du Minnesota en installant des détecteurs sous-marins au fond du lac Supérieur près de Two Harbors. Le trajet du faisceau se poursuit vers le nord, passant par le lac Vermilion dans la région de Soudan, où des sites de détection de neutrinos ont déjà été construits, ainsi que par Ash River, dans le Minnesota. L'équipe de recherche espère valider la technologie de détection de neutrinos produits en laboratoire dans des plans d'eau naturels avant le retrait du faisceau NuMI en 2027.

Les neutrinos sont des particules élémentaires extrêmement abondantes dans l'univers, mais très difficiles à détecter. Leur probabilité d'interaction avec d'autres particules étant extrêmement faible, les chercheurs ont généralement besoin de faisceaux de neutrinos à haute intensité et de détecteurs de grand volume à haute sensibilité pour capturer leurs rares interactions. Jusqu'à présent, des expériences comme IceCube, le lac Baïkal et KM3Net ont observé des neutrinos naturels dans de grands volumes d'eau ou de glace, tandis que des expériences comme MINOS et NOvA ont étudié des faisceaux de neutrinos artificiels ; cependant, l'observation de neutrinos produits en laboratoire dans de grands plans d'eau naturels reste à valider.

Selon le plan, le détecteur du lac Supérieur utilisera des capteurs photoélectriques sous-marins développés par la collaboration KM3Net. Contrairement à l'expérience en mer Méditerranée en eaux profondes où les capteurs sont disposés le long de longues cordes verticales, la faible profondeur du lac Supérieur impose que les capteurs soient montés sur des châssis métalliques posés au fond du lac. À partir de septembre, l'équipe de recherche prévoit de construire 5 châssis métalliques d'environ 10 mètres de haut au quai 11 du terminal de la Clure à Duluth, chaque châssis étant équipé de 18 modules optiques numériques (DOM) sphériques, chacun d'environ 43 centimètres de diamètre.

En novembre, le navire de recherche Neil Armstrong de l'Institut océanographique de Woods Hole devrait arriver sur site pour hisser les châssis et les capteurs à bord, puis les transporter vers la zone du lac alignée avec le faisceau de neutrinos de Fermilab près de Two Harbors. Les châssis de détection seront déposés au fond du lac et reliés par câbles à fibres optiques sous-marins à des équipements temporaires à terre, installés à proximité de la station de traitement des eaux de Two Harbors.

Un autre type de détecteur de neutrinos sera déployé dans le lac Vermilion. Les chercheurs prévoient d'installer au fond du lac, près de la ville de Tower dans le Minnesota, 10 grands réservoirs d'eau, chacun d'environ 2,5 mètres de haut et 6,4 mètres de long, équipés à l'intérieur de deux détecteurs plans de neutrinos. À l'automne 2026, des blocs de lestage seront d'abord déposés au fond du lac, puis les réservoirs seront remorqués par barge jusqu'aux emplacements désignés et fixés, afin d'aligner les détecteurs avec le faisceau NuMI. Le déploiement devrait commencer à la mi-fin octobre et durer environ un mois, suivi de plusieurs mois de collecte de données ; une fois les conditions du lac le permettent, l'équipement sera retiré entre la fin du printemps et le début de l'été 2027.

Sur le principe de détection, lorsque les neutrinos du faisceau NuMI interagissent occasionnellement avec les atomes de l'eau, ils produisent des particules visibles. Ces particules émettent une faible lumière bleue en se déplaçant dans les eaux claires du lac ; les capteurs photoélectriques du lac Supérieur capteront ces signaux et les transmettront à terre par fibres optiques sous-marines. L'équipe de recherche estime que, pendant le fonctionnement du faisceau NuMI, END pourrait détecter plusieurs événements de neutrinos produits par ce faisceau chaque jour. L'expérience du lac Vermilion utilise quant à elle des panneaux de scintillateur plastique pour détecter les flashs produits lors du passage des particules, et distingue les événements de bruit de fond grâce aux informations sur la trajectoire des particules ; comme les détecteurs sont placés dans des conteneurs opaques à la lumière, ils peuvent fonctionner 24 heures sur 24.

Le projet est financé par l'Agence des projets de recherche avancée pour la défense des États-Unis (DARPA), en collaboration avec l'Office des sciences du Département de l'énergie des États-Unis, le Fermi National Accelerator Laboratory et le Brookhaven National Laboratory. Les équipes participantes comprennent des chercheurs de l'Université du Minnesota à Duluth, de l'Université du Wisconsin, de l'Université Drexel et de l'Institut océanographique de Woods Hole. Les responsables du projet indiquent que les phases de préparation et de test d'END ne devraient pas affecter la vie quotidienne des résidents locaux, ni générer de pollution sonore ou perturber les entreprises locales et les activités de loisirs sur les lacs.