Les forêts pourraient servir de gigantesques détecteurs de neutrinos

Les détecteurs de neutrinos ne poussent pas sur les arbres. Ou le font-ils? Un physicien propose que les forêts pourraient un jour être utilisées pour repérer des neutrinos ultra-haute-énergie.

Les arbres pourraient agir comme des antennes naturelles qui captent les ondes radio produites par certaines interactions des particules subatomiques difficiles à détecter, propose le physicien astroparticule Steven Prohira dans un document soumis le 25 janvier sur arXiv.org.

«C'est une idée très excitante», déclare la physicienne Amy Connolly de l'Université d'État de l'Ohio à Columbus, qui n'a pas participé à l'étude. «Cela pourrait être... une solution naturelle qui aurait pu être là, sous notre nez».

Les neutrinos demandent généralement de grands détecteurs sensibles. C'est particulièrement vrai pour les détecteurs conçus pour attraper les rares neutrinos de plus haute énergie qui tombent sur Terre de l'espace. Construire de tels énormes détecteurs à partir de zéro est un obstacle majeur.

Mais les physiciens des neutrinos de haute énergie sont connus pour construire des détecteurs inventifs dans des environnements naturels. L'Observatoire de neutrinos IceCube recherche les interactions des neutrinos en utilisant un kilomètre cube de glace antarctique et le Télescope neutrino Cubic Kilometre, KM3NeT, actuellement en construction, recherchera des neutrinos interagissant en mer Méditerranée. Ces détecteurs ont des volumes suffisamment grands pour rendre possible la capture de rares neutrinos de haute énergie.

Pour étudier des neutrinos encore plus énergétiques, les scientifiques visent à repérer une variété particulière de neutrinos, appelée neutrino tau. Lorsqu'un tel neutrino passe à l'intérieur de la Terre, il peut interagir et produire une particule appelée lepton tau. Si ce lepton tau s'échappe du sol dans l'atmosphère terrestre, sa désintégration peut produire un essaim de particules chargées qui génèrent des ondes radio. Pour détecter ces ondes radio, les scientifiques ont proposé des détecteurs tels que l'expérience massive GRAND, qui utiliserait un total de 200 000 antennes divisées en 20 réseaux distincts à travers le monde.

Étant donné l'énorme entreprise impliquée dans la construction de ce type de détecteur, « j'ai réalisé qu'il serait génial si les antennes étaient déjà là, » dit Prohira, de l'Université du Kansas à Lawrence. Des recherches antérieures avaient montré que les arbres peuvent capter des ondes radio. La détection de ces ondes radio nécessiterait de clouer un fil dans chaque arbre ou d'enrouler une bobine de fil autour du tronc de chaque arbre et de connecter ce dernier à l'électronique pour lire les signaux.

De nombreuses questions doivent encore être répondues pour déterminer si la technique est plausible, reconnaît Prohira. Les scientifiques devraient étudier la façon dont les arbres se comporteraient pour des ondes radio de très haute fréquence, la plage dans laquelle opèrent les détecteurs de neutrinos de ce type. Et les antennes radio traditionnelles peuvent être précisément construites, permettant une compréhension détaillée de leur réponse à différents types de signaux radio. Les arbres, bien sûr, ne le peuvent pas. Par exemple, il n'est pas clair comment les arbres réagiraient à la polarisation des ondes radio, l'orientation de leurs oscillations. De plus, l'effet du feuillage et, pour les forêts caduques, la chute saisonnière des feuilles, doit être étudié.

Même si l'idée est inspirante, déclare le physicien Eric Oberla de l'Université de Chicago, « il n'est pas clair si le remplacement des antennes fabriquées par des arbres résoudrait plus de problèmes qu'il n'en créerait, et ces défis de conception de détecteurs devraient être davantage abordés ».

Tout impact que le détecteur aurait sur la forêt devrait également être compris. « Un tel détecteur », écrit Prohira dans le document, « doit être construit en harmonie avec, et en respect pour, la nature; sinon, cette idée ne vaut pas la peine d'être testée ».