KM3NeT

KM3NeT

Cubic Kilometre Neutrino Telescope
Horizon 2020
Démarrage : 2013
Fin : 2020

Notre connaissance sur les constituants élémentaires de la matière, connue comme le "modèle standard", est encore perfectible. Les propriétés des neutrinos et notamment les oscillations observées entre leurs trois différentes "saveurs" sont intensément étudiées pour conforter ou mettre en défaut ce modèle standard. En parallèle, la détection de neutrinos cosmiques est maintenant considérée comme un des moyens les plus prometteurs pour étudier les sources astrophysiques susceptibles de les produire et pour caractériser et catégoriser les événements cataclysmiques de l'Univers. Seules quelques expériences, dont KM3NeT, regroupant de larges communautés d'(astro-)physiciens sont en course à travers le monde pour atteindre ces objectifs.

Module optique

KM3NeT est une infrastructure de recherche, actuellement en cours de construction, constituée de deux télescopes à neutrinos ORCA et ARCA installés au fond de la mer Méditerranée respectivement au large de Toulon et de la Sicile. Ces deux instruments permettront à la fois de déterminer les propriétés intrinsèques de ces particules fondamentales que sont les neutrinos et à la fois de se servir de ces neutrinos pour étudier les phénomènes astrophysiques capables de les produire dans l'univers tels que des supernovas, des noyaux actifs de galaxie, des coalescences de trous noirs ou d'étoiles à neutrons.

Plusieurs milliers de capteurs vont être disposé par plus de 2000m de fond pour constituer des volumes de détection gigantesques (le plus grand aura une taille proche du Km3) et ainsi détecter la faible lumière produite lors de la disparition des neutrinos après qu'ils aient traversé la Terre. Ces instruments sont prévus pour fonctionner pendant plusieurs dizaines d'années.

Objectif du projet

L’étude statistique de la nature des neutrinos observés par le télescope ORCA en fonction de leur énergie et de l‘épaisseur de Terre traversée doit conduire dans un laps de temps relativement court à déterminer sans ambiguïté les propriétés de masse des neutrinos et notamment de leur hiérarchie. L’instrument ARCA est lui conçu pour détecter des neutrinos cosmiques de haute énergie et ainsi identifier les sources et les mécanismes susceptibles de les produire dans l’Univers. Les deux télescopes sont également capables d’observer la bouffée de neutrinos précurseuse d’une supernova et ainsi offrir des éléments clés sur les mécanismes de fin de vie des étoiles massives.

Méthode utilisée 

La méthode utilisée pour atteindre ces objectifs est originale à plusieurs titres.

Vue d'artiste

Tout d’abord, la détection de ces particules caractérisée par une très faible probabilité d’interaction conduit à se servir de la Terre comme d’une cible qui va permettre d’en stopper un très petit nombre dans ou à proximité d’un volume instrumenté. Par ailleurs, la détection des neutrinos passe par la production de particules élémentaires secondaires qui vont elles-mêmes générer une quantité faible de lumière le long de leurs trajectoires. Cette lumière est enregistrée par des photomultiplicateurs regroupés avec un système d’électronique d’acquisition et de contrôle dans des sphères en verre, formant ainsi des modules optiques de détection. Les volumes couverts par ces modules de détection sont très larges et sont installés dans un des rares milieux transparents et permettant une obscurité la plus complète : les fonds sous-marins.  Les modules sont regroupés en lignes de 18 éléments maintenus à la verticale par un jeu d’ancres et de bouées. Seule la longueur totale des lignes (jusqu’à 700m de long pour ARCA, 200 m pour ORCA) et leur écartement différencient les deux télescopes. Elles sont reliées via un câble d’alimentation et des fibres optiques à un centre de contrôle et de traitement de données situés sur la côte à plusieurs dizaines de km des capteurs.

Les résultats attendus 

Les objectifs visés sont en première intention d’ordre académique avec des percées majeures attendues sur le plan des connaissances fondamentales. La détermination de la hiérarchie de masse des neutrinos et ses conséquences sur le modèle standard est l’objectif principal du télescope ORCA. Le télescope ARCA ambitionne de devenir un des instruments phares pour faire de l’astronomie des neutrinos à haute énergie et de l’observation multi-messager combinant les signaux observés par plusieurs instruments dans différentes longueurs d’onde.

Les membres de l’équipe Neutrino (et par conséquence le laboratoire Subatech et IMT Atlantique) s’attendent à être à la fois acteurs et bénéficiaires de ses résultats. A travers un rôle important dans la production de ces résultats, l’équipe de recherche s’attend à devenir un partenaire reconnu et attractif, au sein de la collaboration KM3NeT et au-delà, notamment pour l’élite des étudiants européens intéressés par ces domaines de recherche.

Rôle de l’école

subatech

L’équipe de recherche Neutrino du laboratoire Subatech s’est engagée dans le projet KM3NeT en 2017. Outre la participation à l’exploitation des données et notamment des neutrinos de haute énergie observés par ARCA, l’équipe s’est impliquée dans le développement du système de positionnement dynamique des modules de détection exploitant un ensemble d’émetteurs acoustiques installés sur le fond marin et de récepteurs équipant chaque module. L’équipe contribue également notablement à la construction des instruments par la mise en place au sein de l’école d’un site de fabrication des modules optiques et par la participation aux opérations de déploiement en mer. L’équipe s’intéresse également à la problématique des bio-salissures en menant en parallèle une R&D dédiée avec des partenaires industriels.

Partenaires académiques 

Carte labos dans KM3NeT

Le projet KM3NeT de par sa taille nécessite une mobilisation d’envergure pour le concevoir et le réaliser suivant un calendrier réaliste. Compte tenu de son originalité, de sa singularité et de ses objectifs, ce sont majoritairement des partenaires académiques qui sont impliqués dans le projet. Fin 2021, 55 instituts issus de 16 pays, pour l’essentiel européens, forment la collaboration KM3NeT. Des acteurs étrangers importants sont présents comme l’INFN italien ou le NIKHEF néerlandais. La France est un acteur majeur du projet à travers 8 laboratoires impliqués, une coordination assurée par l’IN2P3 du CNRS et en 2021 par les responsabilités scientifique et technique du projet sur les épaules d’un chercheur et d’un ingénieur français. L’installation d’un des instruments au large de Toulon confère également un rôle majeur aux équipes françaises.

Les prochaines étapes

Les instruments sont actuellement en cours de construction. Des modules de détection vont être régulièrement produits au cours des prochaines années, notamment à Subatech, et être déployés. Même si au démarrage les volumes sont modestes, l’exploitation des instruments a déjà commencé. Des premiers neutrinos ont déjà été observés. Le temps et l’accroissement progressif des télescopes va permettre d’enrichir les premières données et de se focaliser sur la détection des premiers neutrinos d’origine cosmique.

Label déjà obtenu 

Le projet KM3NeT a été reconnu à plusieurs reprises déjà comme un des éléments clés sur les feuilles de route des grandes infrastructures des organisations scientifiques européennes (ASPERA, APPEC, AstroNet) structurant sur le long terme la recherche fondamentale en physique nucléaire, en physique des particules et en astronomie. Le projet KM3NeT a bénéficié d’un financement Horizon 2020 à travers l’action KM3NeT-INFRADEV visant à préparer la mise en place d’une entité légale pour la construction et l’exploitation de l’infrastructure de recherche.

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