'Rayonner X' la Terre avec Nutrinos

Imaginez des astronomes regardant une extrémité d'un télescope, essayant de créer des images du ciel, tandis que des géologues scrutent l'autre extrémité, regardant à travers une sorte de microscope qui peut pénétrer les sanctuaires les plus intimes de la terre. Cela semble improbable ? Eh bien, bienvenue dans le monde farfelu de l'astronomie neutrino, où le bas est le haut et le haut est le bas et parfois les deux se rencontrent.

Les astronomes ont posé des pièges à neutrinos de haute énergie dans certains des endroits les plus reculés de la planète : loin sous la mer Méditerranée, dans le lac Baïkal en Sibérie et au plus profond des calottes glaciaires du pôle Sud ( voir Chasse au neutrino sauvage , TR avril 1997 ). Ils espèrent que ces particules insaisissables - avec peu ou pas de masse et pas de charge électrique - révéleront des secrets sur les endroits violents de l'espace lointain d'où elles proviennent : les trous noirs, les quasars et les pulsars.

Cette histoire faisait partie de notre numéro d'août 1997

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Maintenant, cependant, les géologues espèrent utiliser les neutrinos piégés par ces détecteurs pour voir s'ils peuvent apprendre quelque chose sur la constitution de la Terre. Malgré leur taille infinitésimale et leur rapidité (limitant ou proche de la vitesse de la lumière), certains de ces neutrinos seront arrêtés net lorsqu'ils s'écraseront sur des atomes à l'intérieur de la Terre. Plus la région est dense, plus la probabilité qu'elle bloque un neutrino est grande. En gardant une trace du nombre de neutrinos atteignant les détecteurs lors de leur voyage à travers la Terre, les scientifiques peuvent calculer où ils ont été absorbés et en quelles quantités pour obtenir une image de la structure de densité interne de la planète.

Détection des régions denses

La tomodensitométrie médicale (CT) utilise une approche similaire. Les machines enregistrent la transmission et l'absorption des rayons X lorsqu'ils traversent le corps humain, permettant aux observateurs de détecter des tumeurs ou d'autres masses. Nous voulons faire la même chose avec la terre, en utilisant des neutrinos à la place des rayons X, explique Raymond Jeanloz, géologue à l'Université de Californie à Berkeley.

La tomographie à neutrinos a été proposée pour la première fois à la fin des années 1970 par deux physiciens, John Learned à l'Université d'Hawaï et Hugh Bradner à la Scripps Institution à San Diego. Le duo s'est rendu compte que les neutrinos produits en tant que sous-produit des réactions se produisant au cœur de chaque étoile abondent dans l'univers. Mais ils ont mis l'idée de côté parce qu'il n'y avait aucun moyen disponible de capturer les particules de haute énergie lorsqu'elles ont atteint et traversé la terre.

Maintenant, de nouveaux observatoires en cours de développement, notamment AMANDA (le réseau de détecteurs de muons et de neutrinos antarctiques), NESTOR (du nom du célèbre roi grec) au large des côtes grecques, le télescope à neutrinos du lac Baïkal et RICE (l'expérience Radio Ice Cerenkov) -peut bientôt avoir la capacité de détecter les particules. Avec quelques encouragements de Learned, Chaincy Kuo, un étudiant diplômé en géologie à Berkeley, a ainsi relancé le concept en 1994, rassemblant une équipe de géologues et d'astrophysiciens pour développer une stratégie pour glaner des informations sur la Terre à partir des données de neutrinos.

Pour comprendre comment la technique devrait fonctionner, supposons qu'il y ait une source cosmique de neutrinos de haute énergie et un détecteur sur Terre. Au fur et à mesure que la Terre tourne, les neutrinos, qui se déplacent en ligne droite, couperaient différentes bandes à travers la planète en route vers le détecteur. Les observateurs pouvaient noter le nombre de neutrinos détectés pour chaque route distincte et déterminer où le plus était absorbé. Cette information indiquerait où se trouvaient les régions les plus denses de la terre.

En réalité, il y aurait de nombreuses sources et de nombreux détecteurs. Avec le temps, donc, l'absorption des neutrinos pourrait être mesurée le long d'un réseau de lignes qui parcourent la planète entière. Un ordinateur pourrait ensuite combiner ces mesures pour produire une image composite des variations de densité.
Les variations de densité sont importantes, selon Jeanloz, car elles entraînent des processus géologiques à l'échelle mondiale. Les régions plus denses du manteau ont tendance à s'enfoncer, tandis que les matériaux moins denses ont tendance à s'élever. Ce barattage souterrain continuel donne lieu au mouvement des plaques tectoniques ainsi qu'aux tremblements de terre et aux volcans.

Les estimations de la densité terrestre reposent désormais principalement sur des techniques sismologiques. Après un tremblement de terre, les scientifiques peuvent mesurer la vitesse des ondes sismiques qui traversent le sol jusqu'à un réseau de capteurs. Plus le matériau est dense, plus les ondes se déplacent rapidement. Des informations supplémentaires proviennent de l'étude des vibrations (ou sonnerie) de la planète après un grand séisme. Contrairement à la tomographie à neutrinos, cependant, la sismologie ne peut pas cartographier la distribution de la densité terrestre avec une haute résolution.

Trésors enfouis

La tomographie à neutrinos pourrait éventuellement donner des indices sur la composition exacte de l'intérieur de la Terre. Cette connaissance, à son tour, pourrait nous aider à trouver diverses ressources - eau, pétrole, gaz, métaux et autres minéraux - enfouies sous la surface. George Frichter, physicien au Bartol Research Institute de l'Université du Delaware, suggère que la technique pourrait même nous dire quelque chose sur l'intérieur de la lune si nous observons comment les mesures des neutrinos changent lorsque la lune passe devant le détecteur terrestre.

Mais la viabilité de la tomographie à neutrinos repose toujours sur une question : y a-t-il suffisamment de neutrinos à haute énergie détectables pour que cela fonctionne ? Hawaii's Learned n'a aucun doute sur le fait que les neutrinos à haute énergie sont abondants et attendent d'être attrapés. Mais combien y en a-t-il dehors ? Et les détecteurs que nous construisons sont-ils assez gros ?

Pour capturer autant de neutrinos que possible, Learned fait partie d'une équipe internationale qui envisage de construire un télescope à neutrinos géant d'un kilomètre cube qui serait environ 50 fois plus grand que la dernière génération d'instruments. La construction pourrait démarrer d'ici 5 à 10 ans, éventuellement sur le site de NESTOR en Méditerranée. Compte tenu de sa taille, selon Learned, cet appareil devrait avoir une réelle capacité à effectuer des tomographies terrestres, non seulement des mesures de densité brute, mais des scans haute résolution.

Un détecteur aussi massif ne serait pas bon marché, coûtant 100 à 200 millions de dollars. Du côté positif, dit Learned, le faisceau de neutrinos lui-même est gratuit, produit par des accélérateurs cosmiques qui ne sont pas soumis aux caprices des agences politiques.

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