Hyper-Kamiokande au Japon : le plus grand observatoire de neutrinos au monde s’apprête à percer les plus grands mystères de l’Univers

À la découverte de Hyper-Kamiokande : une nouvelle ère pour la science des neutrinos

Au plus profond des montagnes de Hida, dans la préfecture de Gifu, au Japon, un projet scientifique monumental prend forme. L’observatoire de neutrinos Hyper-Kamiokande, qui devrait devenir le plus grand détecteur de ce type au monde et le plus sensible, a récemment ouvert pour la première fois à la presse les portes de son vaste cavernement souterrain. Cette étape marque une avancée importante vers la résolution de certains des plus grands mystères de l’Univers, de l’origine de la matière au destin du cosmos lui-même.

Les observations devraient débuter en 2027–2028. Hyper-Kamiokande, souvent abrégé en Hyper-K ou HK, succédera au célèbre détecteur Super-Kamiokande. Avec un cavernement de 94 mètres de haut et de 69 mètres de diamètre, et une cuve prévue pour contenir 260 000 tonnes d’eau ultrapure, Hyper-Kamiokande dépassera de loin ses prédécesseurs et repoussera considérablement les frontières de la physique des particules et de l’astrophysique.

Que sont les neutrinos et pourquoi sont-ils importants ?

Les neutrinos comptent parmi les particules les plus abondantes de l’Univers, mais aussi les plus insaisissables. Parfois surnommés « particules fantômes », ils ne possèdent aucune charge électrique, sont extrêmement légers — environ 100 000 fois moins massifs qu’un électron — et interagissent si peu avec la matière que des milliers de milliards traversent notre corps chaque seconde sans laisser de trace. Malgré leur abondance, les neutrinos sont notoirement difficiles à détecter : il faut pour cela d’immenses détecteurs sensibles, protégés des rayons cosmiques et d’autres bruits de fond.

Comprendre les neutrinos est essentiel, car ils recèlent des indices permettant de répondre à certaines des plus grandes questions de la physique. Leurs propriétés pourraient aider à expliquer pourquoi l’Univers est principalement constitué de matière plutôt que d’antimatière, comment les étoiles explosent en supernovas et si les protons — les éléments constitutifs des atomes — sont véritablement stables ou peuvent se désintégrer au terme de durées inimaginables.

Le projet Hyper-Kamiokande : une ambition à grande échelle

Hyper-Kamiokande est en construction à 600 mètres sous terre, dans la région de Kamioka, à Hida, dans la préfecture de Gifu. Le site a été choisi pour la stabilité de sa roche, ses infrastructures minières existantes et la protection naturelle offerte par la montagne, qui filtre les rayons cosmiques et les autres particules parasites. Le détecteur principal sera une gigantesque cuve cylindrique de 71 mètres de haut et de 68 mètres de diamètre, équipée de plus de 20 000 photomultiplicateurs (PMT) ultrasensibles, conçus pour capter les faibles éclairs de lumière Tcherenkov produits lorsqu’un neutrino interagit avec les molécules d’eau.

Son ampleur est sans précédent : Hyper-Kamiokande contiendra environ huit fois le volume d’eau utilisé par Super-Kamiokande, ce qui lui permettra d’observer beaucoup plus d’interactions de neutrinos et avec une précision bien supérieure. Le projet est dirigé par l’Institut de recherche sur les rayons cosmiques (ICRR) de l’Université de Tokyo, en collaboration avec l’Organisation de recherche sur les accélérateurs de haute énergie (KEK) et plus de 100 institutions de plus de 20 pays. Il s’agit d’un véritable effort scientifique mondial.

Étapes et défis de la construction

Le creusement du cavernement principal a débuté en 2021, après des années de préparation, d’études géologiques et de collaboration internationale. Le tunnel d’accès, qui s’enfonce sur 2 kilomètres dans la montagne, a été achevé début 2022, et le dôme du cavernement principal a été terminé fin 2023. La section cylindrique, qui constitue l’essentiel du volume du détecteur, est creusée par étapes et devrait être achevée en 2024. La hausse du coût des matériaux et les difficultés techniques ont repoussé le début des observations, initialement prévu en 2027, à 2028, mais le projet reste en bonne voie pour atteindre ses objectifs ambitieux.

Le professeur Masato Shiozawa, de l’ICRR et figure de premier plan du projet, s’est montré optimiste lors de la récente présentation :

Nous visons des résultats qui changeront fondamentalement notre compréhension des particules élémentaires.

Une fois le cavernement achevé, les ingénieurs installeront la cuve, la tapisseront de photodétecteurs et la rempliront d’eau ultrapure. L’ensemble de l’installation est conçu pour réduire au minimum le bruit de fond et maximiser la sensibilité aux signaux rares et subtils produits par les interactions de neutrinos.

Comment Hyper-Kamiokande détecte-t-il les neutrinos ?

La détection des neutrinos repose sur un phénomène appelé rayonnement Tcherenkov. Lorsqu’un neutrino entre parfois en collision avec un électron ou un noyau atomique dans l’eau, il peut produire une particule chargée qui se déplace plus vite que la lumière dans l’eau — mais pas plus vite que la lumière dans le vide. Cela crée un faible éclair de lumière bleue en forme de cône, le rayonnement Tcherenkov, que peuvent détecter les photomultiplicateurs installés sur les parois de la cuve.

En analysant le moment et la configuration de ces éclairs, les scientifiques peuvent reconstituer l’énergie, la direction et le type (ou « saveur ») du neutrino incident. Les dimensions colossales d’Hyper-Kamiokande et ses capteurs de pointe lui permettront de détecter des neutrinos provenant de nombreuses sources, notamment :

• Les neutrinos produits par les rayons cosmiques qui frappent l’atmosphère terrestre
• Les neutrinos solaires générés au cœur du Soleil
• Les neutrinos issus de supernovas lointaines et d’autres événements cosmiques
• Les faisceaux artificiels de neutrinos produits par l’accélérateur J-PARC, situé à Tokai, dans la préfecture d’Ibaraki, à 295 kilomètres de là

Objectifs scientifiques : sonder les secrets les plus profonds de l’Univers

Hyper-Kamiokande est conçu pour s’attaquer à certaines des questions les plus fondamentales de la physique et de la cosmologie. Ses principaux objectifs scientifiques sont les suivants :

1. Étudier les oscillations des neutrinos et la violation de CP

Il existe trois types de neutrinos — électronique, muonique et tauique — qui peuvent se transformer de l’un en l’autre au cours de leur trajet. Ce phénomène est appelé oscillation des neutrinos. Sa découverte à Super-Kamiokande en 1998 a prouvé que les neutrinos ont une masse et a valu le prix Nobel de physique 2015.

L’une des grandes priorités d’Hyper-Kamiokande est de déterminer si les neutrinos et leurs équivalents d’antimatière, les antineutrinos, oscillent différemment. Cette différence est appelée violation de la symétrie charge-parité (CP). Si elle était confirmée, la violation de CP chez les neutrinos pourrait contribuer à expliquer pourquoi l’Univers contient plus de matière que d’antimatière, un mystère au cœur de la cosmologie.

En comparant les faisceaux de neutrinos et d’antineutrinos envoyés depuis J-PARC et en mesurant leurs oscillations avec une précision sans précédent, Hyper-Kamiokande vise à apporter une réponse définitive à cette question. Après dix ans de collecte de données, l’expérience devrait atteindre le seuil de référence de 5 sigma pour mesurer la violation de CP, dans une vaste plage de valeurs possibles.

2. Rechercher la désintégration du proton : mettre à l’épreuve les théories de grande unification

La désintégration du proton est un processus hypothétique prédit par de nombreuses théories qui cherchent à unifier les forces fondamentales de la nature. Si les protons peuvent se désintégrer, cela signifierait que la matière est, à terme, instable sur des durées extrêmement longues, bien supérieures à l’âge de l’Univers. Détecter la désintégration du proton révolutionnerait notre compréhension de la physique et pourrait ouvrir la voie à une « théorie du tout ».

Grâce à son volume immense et à ses détecteurs sensibles, Hyper-Kamiokande sera le meilleur laboratoire au monde pour rechercher la désintégration du proton. Même si aucune désintégration n’est observée, l’expérience établira de nouvelles limites inférieures à la durée de vie du proton, ce qui permettra de contraindre ou d’exclure de nombreux modèles théoriques.

3. Observer les neutrinos de supernovas et les neutrinos fossiles

Lorsqu’une étoile massive explose en supernova, elle libère un flot de neutrinos qui peut atteindre la Terre avant la lumière de l’explosion. Hyper-Kamiokande pourra détecter des dizaines de milliers de neutrinos issus d’une supernova dans notre galaxie, offrant une fenêtre unique sur les processus qui créent les éléments lourds et façonnent l’évolution du cosmos.

Le détecteur cherchera également le fond diffus de neutrinos fossiles provenant de toutes les supernovas passées, ce qui permettra de mieux comprendre l’histoire de la formation des étoiles et le cycle de vie de la matière dans l’Univers.

4. Étudier les neutrinos solaires, atmosphériques et géoneutrinos

Hyper-Kamiokande perpétuera l’héritage de ses prédécesseurs en mesurant les neutrinos solaires, en sondant les mécanismes internes du Soleil et en mettant à l’épreuve les modèles de physique stellaire. Il étudiera également les neutrinos atmosphériques afin d’affiner notre compréhension des oscillations des neutrinos et de l’ordre des masses.

Les géoneutrinos — des neutrinos produits par la désintégration radioactive à l’intérieur de la Terre — aideront les scientifiques à étudier la structure interne de la planète et la production de chaleur, avec des implications pour la géologie et le champ géomagnétique.

Collaboration internationale et innovations technologiques

Le projet Hyper-Kamiokande est un modèle de coopération scientifique internationale. Plus de 560 chercheurs issus de plus de 100 institutions dans 21 pays y participent, avec des contributions majeures du Japon, du Royaume-Uni, du Canada, de l’Italie, du Mexique et d’autres pays. Le budget du projet, estimé à environ 600 millions de dollars, est principalement financé par le gouvernement japonais, avec le soutien important de partenaires internationaux.

Les avancées technologiques sont au cœur des capacités d’Hyper-Kamiokande. Les nouveaux photomultiplicateurs, développés par l’entreprise japonaise Hamamatsu et d’autres partenaires, sont plus sensibles et plus fiables que ceux des générations précédentes. Le système de purification de l’eau, essentiel pour réduire le bruit de fond, compte parmi les plus avancés au monde. L’apprentissage automatique et l’intelligence artificielle servent à analyser les immenses volumes de données générés, tandis que des institutions comme le Tecnológico de Monterrey, au Mexique, apportent leur expertise en logiciels et en traitement des données.

L’héritage du Japon dans la recherche sur les neutrinos

Le Japon est à la pointe de la science des neutrinos depuis des décennies. L’expérience originale Kamiokande, dans les années 1980, a permis la première détection de neutrinos solaires et l’observation de neutrinos issus de la supernova SN1987A. Ces travaux ont conduit à l’attribution du prix Nobel 2002 à Masatoshi Koshiba. Construit dans les années 1990, Super-Kamiokande a découvert les oscillations des neutrinos et a joué un rôle déterminant dans les progrès de notre compréhension de ces particules.

L’expérience T2K, qui envoie un faisceau de neutrinos depuis J-PARC jusqu’à Super-Kamiokande, a fourni des mesures essentielles des propriétés des neutrinos et préparé le terrain pour les recherches de nouvelle génération d’Hyper-Kamiokande. Le nouvel observatoire s’inscrira dans la continuité de cet héritage, repoussera les limites du savoir et inspirera les futures générations de scientifiques.

Concurrence mondiale et expériences complémentaires

Hyper-Kamiokande prend part à une course mondiale visant à percer les secrets des neutrinos. Parmi les autres grands projets figurent le Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), aux États-Unis, qui utilise la technologie de l’argon liquide, et l’observatoire souterrain de neutrinos de Jiangmen (JUNO), en Chine. Chaque expérience possède ses propres atouts et méthodes. Leurs résultats se compléteront, offrant des vérifications croisées et une vision plus complète du monde des neutrinos.

Comme l’a souligné Takaaki Kajita, prix Nobel et figure de premier plan du domaine, la complémentarité de ces expériences est essentielle à la solidité des progrès scientifiques. La technologie Tcherenkov à eau éprouvée d’Hyper-Kamiokande, associée à ses dimensions sans précédent, lui confère une longueur d’avance en matière de sensibilité et de polyvalence.

Perspectives : les promesses d’Hyper-Kamiokande

Alors que le creusement approche de son terme et que l’installation des composants du détecteur doit bientôt commencer, l’attente grandit dans la communauté scientifique. Les premières données d’Hyper-Kamiokande pourraient arriver dès 2027–2028, ouvrant une nouvelle ère de découvertes.

Le directeur de l’ICRR, Masato Shiozawa, a résumé l’enthousiasme et l’ambition du projet :

J’espère que les résultats de ces recherches surprendront tout le monde ; j’encourage donc chacun à suivre de près l’avancement du projet.

Qu’il s’agisse de révéler les secrets des oscillations des neutrinos, d’observer pour la première fois la désintégration du proton ou de fournir des alertes précoces en cas de supernova, Hyper-Kamiokande est à l’aube d’une science qui pourrait tout transformer. Ses découvertes pourraient bouleverser notre compréhension de l’Univers et de la place que nous y occupons.

En résumé

• Hyper-Kamiokande devrait devenir le plus grand observatoire de neutrinos au monde et le plus sensible. Il sera situé à 600 mètres sous terre, à Hida, dans la préfecture de Gifu, au Japon.
• Le projet vise à répondre à des questions fondamentales sur l’Univers, notamment l’origine de la matière, la stabilité des protons et le comportement des neutrinos.
• Le creusement du cavernement principal est presque achevé ; l’installation du détecteur et les premières observations sont attendues d’ici 2027–2028.
• Hyper-Kamiokande utilisera une immense cuve d’eau ultrapure et des dizaines de milliers de photomultiplicateurs pour détecter les faibles éclairs de lumière produits par les interactions de neutrinos.
• L’expérience est le fruit d’une collaboration mondiale réunissant plus de 100 institutions de plus de 20 pays et s’appuyant sur d’importantes innovations technologiques et scientifiques.
• Le rôle de premier plan du Japon dans la recherche sur les neutrinos, reconnu par deux prix Nobel, se poursuit avec Hyper-Kamiokande, qui complétera d’autres grandes expériences internationales.
• La communauté scientifique attend des découvertes majeures, susceptibles de transformer fondamentalement notre compréhension de la physique et de l’Univers.