Characterisation of the Bedretto Underground Site for Fundamental Physics Experiments

L'endroit le plus calme de la Terre (et pourquoi nous en avons besoin)

Imaginez essayer d'entendre un simple murmure au milieu d'un concert de rock tumultueux. C'est essentiellement ce à quoi les scientifiques sont confrontés lorsqu'ils tentent d'étudier les secrets les plus insaisissables de l'univers. Profondément sous terre, loin du chaos de la surface, des expériences recherchent des choses qui n'arrivent presque jamais : des particules de « matière noire » qui pourraient constituer la majeure partie de l'univers, ou de rares désintégrations nucléaires qui pourraient expliquer pourquoi nous existons. Pour capturer ces événements fantomatiques, les scientifiques ont besoin d'un laboratoire aussi calme que possible.

Pourquoi la surface est-elle si bruyante ? Premièrement, le ciel déverse constamment des particules de haute énergie appelées rayons cosmiques, qui s'écrasent sur tout et créent un « statique » de fond qui étouffe les signaux délicats. Deuxièmement, le sol lui-même vibre à chaque passage de voiture, de train ou de vague océanique. Troisièmement, les roches qui nous entourent brillent naturellement d'une faible radiation invisible provenant d'éléments comme l'uranium et le radon. Pour résoudre cela, les scientifiques construisent des laboratoires profondément enfouis. L'énorme amas de roche au-dessus agit comme un bouclier géant, bloquant la pluie cosmique et atténuant les vibrations. Plus on descend profondément, plus c'est calme. Mais trouver l'endroit parfait — un endroit assez profond, assez calme et facile d'accès — revient à chercher une aiguille dans une botte de foin. C'est là qu'un nouveau prétendant entre en scène.

La recherche de l'ultime cachette souterraine

Une équipe de chercheurs vient de terminer un vaste « contrôle de santé » d'un nouveau foyer potentiel pour la science : le tunnel de Bedretto, dans les montagnes du Tessin, en Suisse. Considérez ce tunnel non pas seulement comme un trou dans le sol, mais comme une potentielle « salle calme » pour les instruments les plus sensibles jamais construits. L'équipe voulait savoir : cet endroit est-il assez calme pour entendre le murmure de l'univers ?

Ils se sont installés à environ 3,5 kilomètres à l'intérieur du tunnel, un endroit appelé TM3500, qui se situe sous plus de 1 400 mètres de montagne solide. Pour tester le site, ils ont agi comme des détectives cosmiques, mesurant tout, de la pluie de particules frappant les parois au bourdonnement de la terre elle-même.

Le contrôle de la pluie cosmique
D'abord, ils ont examiné la « pluie de muons cosmiques ». Les muons sont comme de minuscules balles de haute vitesse venant de l'espace qui peuvent percer presque tout. En surface, ils nous frappent constamment. L'équipe a installé un télescope composé de panneaux en plastique pour les compter. Le résultat fut spectaculaire : au site de Bedretto, la pluie de muons a été supprimée par un facteur d'un million par rapport à la surface. C'est comme s'ils étaient passés d'un ouragan à une légère brise. Ce niveau de calme place Bedretto dans la même catégorie que les meilleurs laboratoires souterrains au monde, ce qui en fait un candidat de premier choix pour les expériences nécessitant d'être protégées du bruit cosmique.

L'éclat radioactif de la roche
Ensuite, ils ont vérifié les parois elles-mêmes. Les roches ne sont pas parfaitement silencieuses ; elles contiennent des éléments radioactifs naturels qui émettent des rayons gamma et des neutrons, lesquels peuvent ressembler à de faux signaux pour les détecteurs sensibles. L'équipe a prélevé des échantillons de granit des parois du tunnel et a mesuré leur « empreinte digitale radioactive ». Ils ont découvert que la roche à l'endroit choisi était en fait très propre, avec environ 35 % de radioactivité en moins que la roche trouvée ailleurs dans le tunnel. Ils ont également mesuré l'air et ont constaté que, bien qu'il y ait un peu de gaz radon (un gaz radioactif qui s'échappe des roches), celui-ci peut être facilement géré en pompant de l'air frais, un peu comme ouvrir une fenêtre pour aérer une pièce malodorante.

La vibration et le bourdonnement magnétique
Enfin, ils ont écouté le sol et l'air pour détecter un bruit invisible. Ils ont mesuré le champ magnétique (la force invisible qui guide les boussoles) et les vibrations sismiques (le tremblement du sol). Ils ont trouvé que le bruit magnétique était incroyablement bas, à l'exception d'un « bourdonnement » spécifique à 16,7 Hz. Ce bourdonnement s'est avéré être causé par les trains électriques circulant dans le tunnel ferroviaire de la Furka, à proximité ; lorsque les trains s'arrêtent la nuit, le bourdonnement disparaît. Cela indique aux scientifiques que s'ils construisent leur laboratoire, ils devront simplement se protéger contre cette fréquence spécifique.

Les mesures sismiques étaient encore plus impressionnantes. Le sol à Bedretto est si immobile qu'il est bien plus calme que le « Nouveau Modèle de Faible Bruit », qui est la limite théorique de la tranquillité de la Terre. En fait, les vibrations sont si faibles qu'elles sont deux ordres de grandeur meilleures que ce qui est requis pour les détecteurs d'ondes gravitationnelles de nouvelle génération — des machines conçues pour écouter les ondulations de l'espace-temps causées par la collision de trous noirs.

Ce que cela signifie pour l'avenir
L'article conclut que le tunnel de Bedretto est un emplacement « hautement compétitif » pour la physique fondamentale. Il n'est pas seulement profond ; il est accessible, avec des tunnels horizontaux qui facilitent le déplacement d'équipements lourés à l'intérieur et à l'extérieur, contrairement à certains laboratoires qui nécessitent de creuser des puits verticaux. L'équipe suggère qu'avec une construction standard — comme l'ajout d'une couche de béton sur les parois pour bloquer davantage de radiations et de neutrons — ce site pourrait devenir l'un des laboratoires les plus profonds et les plus calmes d'Europe.

Ils ne prétendent pas avoir construit le laboratoire, mais ils ont prouvé que le site est prêt. Les mesures montrent que le bruit de fond est suffisamment bas pour supporter des expériences de pointe recherchant la matière noire, la double désintégration bêta sans neutrino et les ondes gravitationnelles. Essentiellement, ils ont trouvé une grotte parfaite et calme où les secrets de l'univers pourraient enfin être assez forts pour être entendus.