Les premiers éléments du cryostat sont arrivés sous terre à SURF. Au CERN, le prototype ProtoDUNE-VD livre ses premières données, avec une contribution importante d'IJCLab. Photo : 605 Media & Entertainment/Clark Young
L'expérience Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) a franchi un nouveau cap dans la construction de ses détecteurs lointains. Les laboratoires du CNRS Nucléaire et Particules participent à ce projet international, dont IJCLab. Les premières poutres en acier du cryostat ont été transportées 1 500 mètres sous terre, dans la nouvelle caverne du Sanford Underground Research Facility (SURF), aux États-Unis.
Une caverne géante entre en service
Cette caverne immense, mesurant 150 mètres de long, 20 mètres de large et 25 mètres de haut, entre dans une nouvelle phase opérationnelle. Elle abritera le futur détecteur lointain à dérive verticale de DUNE. Sa construction a nécessité plusieurs années d'excavation et de préparation. Les membres de la collaboration DUNE ont pu la visiter en mai 2026, lors de leur réunion à Rapid City.
Vue de la caverne (environ 150 m x 20 m x 25 m) qui abritera le détecteur lointain à dérive verticale de l'expérience DUNE, 1 500 m sous terre à SURF, avec les premiers éléments du cryostat en rouge.
Ce détecteur observera des neutrinos produits à 1 300 kilomètres dans le complexe de Fermilab avec l’accélérateur PIP II (Proton Improvement Plan II), auquel IJCLab contribue également, comme source. Une détection « proche » complétera la mesure. Les deux sites révéleront l'oscillation des neutrinos au cours de leur trajet.
Pourquoi enfouir le détecteur si profondément ? À la surface, les rayons cosmiques bombardent sans cesse l'atmosphère. Ils y produisent des muons et des gerbes de particules. Ces signaux parasites masqueraient les rares interactions de neutrinos. Les 1 500 mètres de roche forment donc un bouclier naturel. Ils absorbent les particules cosmiques tandis que les neutrinos traversent la roche presque sans obstacle. Le détecteur bénéficie ainsi de l'environnement requis pour des mesures de précision.
ProtoDUNE-VD, un prototype clé au CERN
En parallèle, les équipes du CNRS Nucléaire et Particules participent activement aux analyses de données de DUNE. Ce travail s'appuie notamment sur les prototypes de détecteurs lointains. Le prototype à dérive verticale, ProtoDUNE-VD, prend des données depuis septembre 2025 sur la plateforme neutrino du CERN.
ProtoDUNE-VD comporte deux volumes actifs de 34 mètres cubes chacun. Ses dimensions atteignent 3 mètres sur 3,35 mètres sur 3,34 mètres. Il forme ainsi l'une des plus grandes chambres à projection temporelle à argon liquide jamais construites. L'équipe d'IJCLab a particulièrement contribué à la conception de la cathode du détecteur. Cette cathode est portée à une haute tension de -150 kilovolts.
La cathode en fibre de verre sera plongée plusieurs années dans l'argon liquide (-200°C). En fin de fabrication, chaque cadre composant la cathode est soumis à un choc thermique par immersion dans une piscine d'azote liquide, pour s'assurer de la bonne tenue de l'assemblage par collage des éléments, suivant une procédure d'assurance qualité requise par le projet. La rigidité en flexion est vérifiée en contrôlant la déformation sous charge avant et après le trempage. 100% des cadres testés jusqu’à ce jour ont été validés. Photo : Dominique Longieras/IJCLab
IJCLab a également conçu son système de suspension qui permet d'établir un champ électrique homogène de 450 volts par centimètre sur toute la distance de dérive, soit 3,34 mètres.
Un faisceau de particules pour tester le détecteur
Après une montée en régime de ses sous-systèmes à l'été 2025, le détecteur a été exposé à un faisceau de particules chargées. Celui-ci provenait du SPS du CERN, pendant une dizaine de jours. L'expérience a permis de collecter des centaines de milliers de particules comme des électrons, pions, kaons et protons. Leur énergie variait entre 0,5 et 8 GeV par c.
Cette gamme d'énergie recouvre celle du faisceau de neutrinos produit par le LBNF de Fermilab. Elle se révèle donc particulièrement utile pour tester les performances du détecteur. Plusieurs topologies d'événements ont ainsi pu être étudiées : gerbes électromagnétiques et hadroniques, traces, interactions inélastiques ou désintégrations de particules.
Des données essentielles pour les neutrinos
L'équipe d'IJCLab s'implique particulièrement dans la reconstruction de ces données de faisceau. Elle travaille aussi sur les muons atmosphériques, utilisés pour calibrer le détecteur à basse énergie.
Gauche, signaux bruts provenant d'un pion potentiel de 4 GeV/c, avec la désintégration d'un pion neutre en paire de photons dans l'état final.
Droite, reconstruction de l'événement avec séparation des traces et des gerbes électromagnétiques à l'aide d'un réseau de neurones convolutif (CNN).
Les analyses en cours apporteront des informations essentielles aux programmes de recherche de DUNE. Ces travaux concernent les oscillations de saveurs des neutrinos et éclairent également l'étude des neutrinos solaires et des neutrinos de supernova.
En savoir plus :
- Voir une revue récente : https://indico.in2p3.fr/event/38819/contributions/171539/
- Pour plus d'informations sur les contributions de l'IN2P3 à DUNE, voir le récent point d'information en conseil scientifique : https://www.in2p3.cnrs.fr/fr/les-sessions-du-cs-in2p3-devaluation-de-projets