SNOLAB

Histoire

SNOLAB est situé sur le territoire traditionnel du Traité Robinson-Huron de 1850, partagé par le peuple autochtone de la Première Nation Atikameksheng Anishnawbek voisine, qui fait partie de la nation Anishinabee (voir Traités Robinson de 1850). L’exploitation minière du nickel dans la région commence au début du 20^e siècle. L’exploitation de la mine Creighton est menée par la Canadian Copper Company, et plus tard par la International Nickel Company (INCO). La compagnie brésilienne Vale acquiert la mine en 2006.

Les plans pour un laboratoire de physique des particules sont approuvés en 1990. Les travaux d’excavation et d’installation des équipements durent huit ans (voir Physique). L’Observatoire de neutrinos de Sudbury (SNO), financé par le Canada, les États-Unis et le Royaume-Uni, commence à recueillir des données en 1999.

Neutrinos solaires et prix Nobel

Les neutrinos sont des particules subatomiques qui n’interagissent pratiquement pas avec la matière ordinaire. Pendant des décennies, les physiciens croient que les neutrinos sont dépourvus de masse, comme les photons. La plupart des neutrinos qui atteignent la Terre sont produits par le Soleil, mais ils proviennent également des supernovae (les explosions gigantesques que subissent les étoiles massives en fin de vie), et certains sont produits lors du Big Bang lui-même (l’événement qui aurait donné naissance à l’univers tel que nous le connaissons, il y a environ 13,8 milliards d’années). En raison de leur grand nombre et de leur faible taux d’interaction, des milliards de neutrinos traversent notre corps chaque seconde. Le SNO utilise une cuve sphérique de 12 mètres de diamètre, remplie de 1000 tonnes d’eau lourde, semblable à l’eau ordinaire à la différence qu’elle contient des atomes de deutérium au lieu d’hydrogène. Ces atomes de deutérium possèdent un neutron supplémentaire. Les neutrons servent de cible aux neutrinos entrants : lorsqu’un neutrino percute un neutron, il libère un électron, ce qui produit un éclat lumineux. La cuve est entourée de quelque 9500 photo-détecteurs sensibles pour enregistrer ces faibles éclairs de lumière.

Après avoir analysé plusieurs années de données d’expériences au SNO, les chercheurs concluent que les neutrinos doivent passer d’un type à un autre durant leur voyage du Soleil à la Terre (ils changent de « saveur », ou « d’oscillation », comme le disent les physiciens). Cette capacité d’oscillation implique que les neutrinos possèdent une masse, même si elle est infime. Cette découverte est corroborée par les chercheurs du détecteur Super-Kamiokande au Japon. En reconnaissance de cette découverte, le prix Nobel de physique 2015 est décerné à Arthur B. McDonald, qui est directeur de SNO au moment de ces travaux, et à Takaaki Kajita du Super-Kamiokande. (Voir aussi Les prix Nobel et le Canada.)

Du SNO à SNOLAB

Alors que le projet SNO initial est encore en cours, les scientifiques commencent à travailler sur des plans pour agrandir l’espace souterrain afin d’accueillir plus d’expériences. Grâce au financement obtenu de plusieurs partenaires, dont le gouvernement du Canada et celui de l’Ontario, les travaux d’agrandissement commencent. La superficie des laboratoires souterrains est considérablement augmentée et un nouveau bâtiment administratif ouvre ses portes à la surface en 2005. Le SNO est mis hors service en 2007. La première phase de l’agrandissement est achevée en 2008 et l’inauguration officielle de SNOLAB a lieu en 2012. En date de 2022, l’installation dispose de 5000 mètres carrés d’espace souterrain propre, ce qui en fait l’un des laboratoires les plus profonds et les plus propres au monde.

La supervision et la gouvernance du laboratoire sont assurées par le conseil d’administration de SNOLAB, dont les institutions membres sont l’Université Carleton, l’Université Laurentienne, l’Université Queen’s, l’Université de Montréal, et l’Université de l’Alberta.

Matière noire

Plusieurs des expériences qui sont en cours au SNOLAB portent sur l’énigme de la matière noire, une substance mystérieuse qui représenterait environ 85 % de la matière de l’univers. L’une de ces expériences, la SuperCDMS (Super Cryogenic Dark Matter Search), utilise des cristaux ultra-purs de germanium et de silicium, de la taille de rondelles de hockey, qui sont refroidis à des températures extrêmement basses. Sa température de fonctionnement sera de 15 millikelvins, soit 15 millièmes de degré au-dessus du zéro absolu. Si une particule de matière noire venait à percuter ces cristaux, elle produirait une vibration générant un infime signal électrique. En date de la mi-2026, SuperCDMS est en phase de tests et d’étalonnage. Comme l’écrit Ivan Semeniuk dans le Globe and Mail en 2023, la découverte de la matière noire « signifierait d’ouvrir la voie à une compréhension plus profonde des lois qui sous-tendent notre existence et qui façonnent l’évolution du cosmos », ajoutant qu’une telle découverte « mènerait presque certainement à un prix Nobel ».

Autres expériences

Deux expériences en sciences de la vie sont menées au SNOLAB. La première, REPAIR (Researching the Effects of the Presence and Absence of Ionizing Radiation), étudie les effets de très faibles niveaux de rayonnement sur les organismes vivants. La seconde, FLAME (FLies in A MinE), étudie les effets biologiques liés au fait de travailler en profondeur sous terre (en particulier à haute pression atmosphérique), en utilisant des mouches à fruits. Les scientifiques espèrent que les résultats de cette expérience permettront d’améliorer la santé des personnes qui travaillent sous terre.

Un autre domaine de recherche concerne les technologies quantiques. Une expérience appelée CUTE (Cryogenic Underground TEst facility) a pour objectif d’étudier l’impact des rayonnements et des rayons cosmiques sur les matériaux quantiques, plus particulièrement les très fragiles bits quantiques, ou qubits, qui enregistrent des informations au niveau quantique.

D’autres expériences portent sur la surveillance environnementale et l’étude approfondie des neutrinos. De plus, SNOLAB fait partie d’un réseau d’alerte précoce dédié aux supernovae. Comme les neutrinos peuvent s’échapper d’une étoile mourante avant que la lumière visible ne soit émise, ils peuvent signaler aux astronomes qu’une supernova sera bientôt visible. SNOLAB participera à un réseau mondial connu sous le nom de SNEWS (Supernova Early Warning System).