Grand laboratoire Souterrain International

Projet MEMPHYS

La prochaine génération de très grands détecteurs souterrains pour la recherche et l'étude de divers événements rares induits par les neutrinos terrestres et extraterrestres doit répondre à des questions fondamentales de la physique des particules et des astroparticules.

Installation possible pour le détecteur MEMPHYS dans le Laboratoire souterrain de Modane

Le neutrino est unique parmi les particules fondamentales dans la mesure où ses nombres quantiques ne sont pas conservés, à l'exception, peut-être, du nombre lépontique. La découverte récente que les neutrinos changent de saveur et qu'ils oscillent, implique qu'ils ont une très petite, mais non nulle masse, que la saveur lépontique n'est pas conservée, et que le Modèle Standard de la physique des particules est incomplet. Les neutrinos peuvent parcourir de très grandes distances dans l'espace et traverser les zones denses de l'Univers, car ils interagissent très faiblement avec la matière, et donc fournissent des informations uniques sur leurs sources. L'expérience MEMPHYS (MEgatonne Mass PHYSics) permettra pour la première fois les mesures des propriétés fondamentales des neutrinos. La détection de neutrinos de faisceaux permettrait de mesurer avec une sensibilité sans précédent le dernier paramètre inconnu décrivant les oscillations de neutrinos (ce qu'on appelle l'angle ? 13 de mélange) et de dévoiler à travers les oscillations l'existence de la violation de CP dans le secteur lépontique, ce qui pourrait fournir une explication de l'asymétrie entre matière et antimatière dans l'Univers.

De plus, le proton, l'un des principaux éléments de la matière, est connu pour être une particule extrêmement stable, mais de nombreux modèles prédisent une durée de vie finie. Une détection de la désintégration des protons représenterait la conséquence la plus directement vérifiable de l'unification des forces fondamentales de la Nature.

Dans l'expérience MEMPHYS la détection est basée sur l'émission de lumière Cherenkov dans l'eau par des particules chargées. Cette faible lumière très directionnelle est détectée par un grand nombre de photomultiplicateurs placés à la surface de la cuve. Cette technologie a été lancée par les expériences IMB et Kamiokande (USA et au Japon, respectivement) et appliquée avec succès à Super-Kamiokande au cours de nombreuses années de fonctionnement. Super-Kamiokande, le plus grand détecteur Cherenkov eau jamais construit, a une masse de 22,5 ktonnes et environ 11000 grands photomultiplicateurs de 20 pouces. La possibilité de construire un détecteur  Cherenkov avec une masse d'environ 500 ktonnes avec 200000 photomultiplicateurs de 10 pouces est actuellement étudiée par différents groupes dans le monde, pour les différents sites souterrains. Si l'eau est un excellent milieu, la taille de ces détecteurs est limitée par le coût des travaux d'excavation et des photomultiplicateurs. Le projet MEMPHYS est en cours de discussion pour être installé dans le laboratoire du Fréjus (France / Italie). Un point important est la possibilité de coupler ce détecteur avec le faisceau des neutrinos produits au CERN.

Les grandes dimensions de MEMPHYS et le cout d'un projet de cette taille "obligent" a une reflexion attentive sur les techniques de detection et d'acquisition des données. 

Ce projet est déjà largement à l'étude et discuté lors de conférences, comme à Aussois en avril 2005 (NNN05), ou encore à Estes Park dans le Colorado en octobre 2009 (NNN09)