Paris, 25 septembre 2014

Inauguration du deuxième détecteur de neutrinos de l'expérience Double Chooz
Un second détecteur de neutrinos vient d'être édifié par le CNRS et le CEA à proximité de la centrale nucléaire de Chooz (Ardennes). Ses mesures complèteront celles du premier détecteur, installé depuis cinq ans, afin d'étudier, dans le cadre de l'expérience Double Chooz, les caractéristiques des neutrinos, ces particules élémentaires presque insaisissables produites en abondance notamment dans le Soleil et dans les réacteurs nucléaires. Construit à 400 mètres du cœur des réacteurs de la centrale, ce second détecteur est inauguré le 25 septembre 2014 en présence de représentants du CNRS et du CEA, et des autorités locales, qui soutiennent activement cette implantation.
Après sa mise en service au cours de l'automne, le détecteur captera les neutrinos produits dans les cœurs des deux réacteurs de la centrale, situés à 400 mètres. Ces données seront comparées à celles collectées par l'autre détecteur, installé à 1 kilomètre de ces réacteurs. La différence de composition attendue est due à une métamorphose des neutrinos, qui changent de caractéristiques au cours de leur trajet. L'expérience Double Chooz est fondamentale pour permettre de comprendre ce phénomène, et ainsi compléter le Modèle standard de la physique des particules1.

Étudier les « saveurs » des neutrinos grâce aux centrales nucléaires

Les neutrinos, particules un million de fois plus légères que les électrons, sont un sous-produit connu des réactions nucléaires « beta ». Ils sont ainsi produits dans des réacteurs nucléaires en fonctionnement, mais aussi dans la croûte et le manteau terrestre, le corps humain, ou encore les étoiles, le Soleil étant la source de neutrinos la plus abondante sur Terre. Ils peuvent naître sous trois formes ou « saveurs », comme disent les physiciens. Mais ils ont cette propriété étonnante, appelée « oscillation », de changer de « saveur » en se déplaçant, en fonction de leur énergie et de la distance parcourue. Ces « oscillations » dépendent de trois paramètres (nommés « angles de mélange »), dont deux sont connus avec une bonne précision. Le troisième est bien plus petit et difficile à mesurer précisément, et c'est sur cette mesure que portent les efforts de l'expérience Double Chooz.

L'expérience Double Chooz

Le projet Double Chooz est né en 2003 d'une collaboration internationale2, à l'initiative de chercheurs du CEA et du CNRS. En 2009, un premier détecteur a été installé dans un laboratoire souterrain, construit par EDF dans les années 1990 à 1 kilomètre des cœurs des réacteurs de la centrale. Ce dispositif a permis, en 2011, de détecter la transformation des neutrinos durant leur vol, découverte confirmée dès 2012 par les autres expériences internationales. Depuis lors, une course mondiale à la précision s'est engagée pour mesurer le troisième angle de mélange des neutrinos. A Chooz, la mise en service d'un second détecteur va permettre d'y participer efficacement. D'ici trois ans, le paramètre manquant devrait y être mesuré avec une précision de 10 %.

A l'image du premier détecteur, ce second instrument est constitué d'une cuve cylindrique de dix mille litres remplie d'un mélange d'huiles minérales. Un tel volume est nécessaire car les neutrinos interagissent très faiblement avec la matière : ils traversent murs, montagnes, et êtres vivants, pratiquement sans interaction. Afin d'en détecter un, il faut donc « interposer » au parcours des neutrinos une grande quantité de matière. Chaque jour, cet instrument ne détectera que 300 neutrinos environ, sur les centaines de milliards de milliards qui le traverseront. Par ailleurs, le détecteur est enfoui sous 50 mètres de roches et protégé par plusieurs enceintes concentriques pour l'isoler du rayonnement cosmique et de la radioactivité naturelle ambiante.

La comparaison des résultats de Double Chooz avec ceux d'autres expériences similaires en Chine (Daya-Bay) et en Corée (RENO) et d'accélérateurs de particules (T2K au Japon) facilitera la conception de projets pour explorer l'origine de l'asymétrie entre matière et antimatière observée dans l'Univers. En effet, selon la théorie du Modèle standard, qui prédit le comportement de la matière depuis le début de l'Univers, le Big Bang aurait créé a priori autant de matière que d'antimatière, il y a 13,7 milliards d'années. Mais la matière est observée en surabondance aujourd'hui. Les neutrinos pourraient bien détenir la clé de cette énigme.

Le laboratoire abritant ce deuxième détecteur a été financé par le FEDER (Fonds européen de développement régional), la région Champagne-Ardenne, le département des Ardennes, la communauté de communes Rives de Meuse, EDF, le CNRS et le CEA.

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Paris, 27 août 2014

Les neutrinos témoins directs de la production d'énergie au coeur du Soleil

Pour la première fois dans l'histoire de notre étoile, il a été possible de mesurer directement l'énergie solaire à l'instant même où elle est créée. Une expérience unique au monde, menée avec le détecteur Borexino, a permis d'observer quasiment en temps réel le flux de neutrinos de basse énergie émis par le Soleil et de montrer que l'activité solaire n'a pratiquement pas changé depuis plus de cent mille ans. Ces résultats obtenus par la collaboration Borexino1, à laquelle participe le laboratoire Astroparticule et cosmologie (CNRS/CEA/Université Paris Diderot/Observatoire de Paris), sont publiés le 28 août 2014 dans la revue Nature.
L'énergie du Soleil provient, pour plus de 99%, de la fusion de noyaux d'hydrogène (des protons) au cœur de l'étoile. Cette  réaction primordiale transforme deux protons en un noyau de deutérium en émettant un positron et un neutrino de basse énergie appelé neutrino pp. Le détecteur Borexino, installé dans le laboratoire souterrain du Gran Sasso, en Italie, a réussi la première mesure directe du flux de ces neutrinos pp.
Une fois produits, les neutrinos franchissent en quelques secondes le plasma solaire et arrivent sur Terre huit minutes plus tard. Au contraire, l'énergie produite par la réaction en même temps que les neutrinos est transportée sous forme de photons et va mettre une ou deux centaines de milliers d'années à traverser la matière dense du Soleil, avant de gagner notre planète. Les neutrinos observés au cours de cette étude sont donc les témoins directs de ce qui se passe au cœur de l'étoile aujourd'hui, alors que l'énergie solaire qui nous réchauffe a été produite il y a longtemps.
L'expérience a permis de mesurer un flux de neutrinos de 6,6 × 1010 neutrinos par cm2 par seconde. Cela équivaut à une puissance du Soleil de 3,98 × 1026 watts, une valeur équivalente aux chiffres obtenus lorsqu'on mesure l'énergie solaire à partir des radiations qui illuminent et chauffent la Terre (3,84 × 1026 watts). La confrontation de ces deux mesures montre que le Soleil est en complet équilibre thermodynamique : son activité n'a pratiquement pas changé depuis plus de cent mille ans. Ces résultats confortent les connaissances actuelles sur la dynamique du soleil et confirment que notre étoile continuera à fonctionner de manière analogue pendant cent mille ans au moins.
Cette nouvelle mesure permet à l'expérience Borexino de compléter la spectroscopie des neutrinos solaires et de réaliser une performance unique. Ce détecteur est en effet le seul au monde à avoir mesuré le flux des neutrinos pp, les plus nombreux, mais les plus difficiles à détecter. De façon générale, les neutrinos, qui n'interagissent que par interaction faible, ne s'observent pas facilement et, pour la mesure effectuée cette fois-ci, la difficulté supplémentaire est due à l'énergie extrêmement faible des neutrinos pp. Le détecteur Borexino est particulièrement performant pour éliminer les bruits de fond qui perturbent les mesures à basse énergie. Il est abrité sous 1400 mètres de roches qui absorbent les rayons cosmiques et la haute technologie développée par l'expérience permet de supprimer les traces de radioactivité à un niveau encore jamais atteint (dix milliards de fois moins de radioactivité que dans un verre d'eau). Ce sont ces caractéristiques uniques qui ont permis cette première mondiale.

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Paris, 06 mai 2014

Le satellite Planck dévoile l'empreinte magnétique de notre Galaxie
Le champ magnétique de la Voie Lactée vient d'être révélé dans une nouvelle carte livrée par la mission Planck de l'Agence spatiale européenne (ESA). Cette image est issue des premières observations sur l'ensemble du ciel de la lumière « polarisée » émise par la poussière interstellaire de notre Galaxie. De nombreux chercheurs et ingénieurs du CNRS, du CEA, du CNES et des Universités participent à la mission Planck qui continue sa moisson de résultats. Ces analyses viennent d'être soumises, dans quatre articles, à la revue Astronomy & Astrophysics.
La lumière est une forme d'énergie qui nous est très familière même si certaines de ses propriétés ne sont pas facilement accessibles. L'une d'entre elles - la polarisation - est une source d'informations pour les chercheurs. Dans l'espace, la lumière émise par les étoiles, le gaz ou la poussière peut être polarisée de plusieurs façons. En mesurant cette polarisation, les astronomes peuvent étudier les processus physiques qui sont à son origine, en particulier les propriétés des champs magnétiques dans le milieu interstellaire de notre Galaxie (1).



© ESA/collaboration Planck
Le champ magnétique de la Voie Lactée vu par le satellite Planck. Les régions les plus sombres correspondent à une émission polarisée plus forte et les stries indiquent la direction du champ magnétique projeté sur le plan du ciel.


La carte présentée ici a été obtenue en utilisant des détecteurs du satellite Planck, agissant un peu à la manière des lunettes de soleil polarisées, en version astronomique. Les tourbillons, boucles et arches de cette image tracent la structure du champ magnétique de notre Galaxie. Cette image dévoile l'organisation à grande échelle d'une partie du champ magnétique galactique. La bande sombre correspond au plan galactique : l'émission polarisée y est particulièrement intense. La structure générale révèle un motif régulier où les lignes du champ magnétique sont majoritairement parallèles au plan de la Voie Lactée.

Les observations révèlent également des variations de la direction de polarisation dans les nuages de matière proches du Soleil vus de part et d'autre de la bande sombre. Celles-ci témoignent de changements de la direction du champ magnétique dont les astrophysiciens étudient l'origine.

Les zones à haute latitude galactique ont été masquées. Le signal y est plus faible et un travail supplémentaire est requis pour mesurer et séparer la polarisation de notre Galaxie de celle du rayonnement fossile micro-onde.

Au-delà de notre Galaxie

L'intensité du rayonnement fossile de l'Univers a été cartographiée avec une précision sans précédent par Planck et aujourd'hui les chercheurs scrutent ces données pour mesurer la polarisation de ce rayonnement. C'est l'un des objectifs principaux de la mission Planck car cette polarisation pourrait révéler la présence d'ondes gravitationnelles primordiales générées juste après la naissance de l'Univers.

En mars 2014, les scientifiques de la collaboration BICEP2 ont annoncé la première détection d'un tel signal dans les données collectées par un télescope au sol observant une petite fraction du ciel (1%) à une seule fréquence. Leur résultat repose sur l'hypothèse que la polarisation de l'émission d'avant-plan de notre galaxie est négligeable dans cette région.

D'ici la fin de l'année 2014, la collaboration Planck livrera ses données obtenues à partir des observations du ciel complet dans les sept bandes en fréquence où les détecteurs sont sensibles à la polarisation de la lumière. Ces mesures multifréquences devraient permettre aux astrophysiciens d'estimer et de séparer le signal polarisé primordial et le signal d'avant-plan de notre Galaxie. Cette étude permettra une investigation bien plus détaillée du début de l'histoire du cosmos, depuis son expansion quand l'Univers était âgé d'une toute petite fraction de seconde jusqu'à la naissance des premières étoiles, plusieurs centaines de millions d'années plus tard.


La mission Planck en bref

Lancé en 2009, Planck, le satellite de l'Agence spatiale européenne (ESA) a observé l'ensemble de la voûte céleste dans neuf bandes de fréquence dans le domaine submillimétrique, entre l'infrarouge lointain et la radio. Les données de l'instrument haute fréquence HFI ont été essentielles pour ce résultat sur le champ magnétique. Cet instrument HFI, conçu et assemblé sous la direction de l'Institut d'astrophysique spatiale (CNRS/Université Paris-Sud) avec un financement du CNES et du CNRS a pris des données scientifiques du 13 août 2009 au 14 février 2012.

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LES ONDES GUIDÉES (2002)

Dans un tuyau cylindrique, au-delà dune certaine fréquence, des modes de propagation guidée d'ondes acoustiques apparaissent en plus du mode onde plane. La vitesse de groupe des modes guidés dépend de la fréquence de la porteuse contrairement à celle de londe plane : cest le phénomène de dispersion. Cela entraîne une distorsion du signal de modulation pour les modes guidés. Lextrapolation au domaine optique de cette expérience explique pourquoi on a intérêt à utiliser des fibres optiques monomodes pour les télécommunications optiques à longue distance, le mode de propagation étant non dispersif.

Générique
Auteur : Bernard Clerjaud Réalisateur : Michèle Bredimas Production : Université Pierre et Marie Curie Paris VI Copyright UPMC 2002

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