Des capteurs du CERN pour les ondes gravitationnelles

Sep 04, 2019

Tout a commencé avec un objectif relativement simple : créer un prototype d’un nouveau type de dispositif pour le suivi du mouvement des structures souterraines au CERN. Mais le projet, fruit d’une collaboration entre le CERN et l’Institut unifié de recherche nucléaire (JINR) de Doubna (Russie), a rapidement évolué. Le prototype a débouché sur la création de plusieurs dispositifs complets, pouvant potentiellement servir de systèmes d’alarme précoce en cas de tremblements de terre et être utilisés pour l’enregistrement d’autres vibrations sismiques. En outre, ces dispositifs, appelés inclinomètres laser de précision (ILP), peuvent également être utilisés hors du CERN. Les scientifiques à l’origine de ce projet testent à présent un de ces dispositifs auprès du détecteur avancé Virgo, qui a récemment détecté les ondes gravitationnelles – de minuscules ondulations du tissu spatio-temporel, qui avaient été prédites par Einstein il y a un siècle. Si tout se passe comme prévu, ce dispositif pourrait aider les chasseurs d’ondes gravitationnelles à réduire le « bruit » causé par les événements sismiques autour des signaux issus de ces ondes.

Contrairement aux sismomètres traditionnels, qui détectent les mouvements du sol à partir de leur effet sur des poids suspendus à des cordons, l’inclinomètre laser de précision mesure l’effet de ces mouvements sur la surface d’un liquide. Cette mesure est réalisée en dirigeant la lumière d’un laser sur un liquide, et en observant la manière dont celle-ci est reflétée. À la différence des sismomètres utilisant des poids, l’inclinomètre laser de précision peut détecter un mouvement angulaire, en plus du mouvement vertical ou horizontal, et il peut en outre détecter les mouvements basse fréquence avec une très grande précision.

« L’inclinomètre laser de précision est extrêmement sensible ; quand il y a du vent, il peut même détecter les vagues sur le lac Léman », explique Beniamino Di Girolamo, du CERN, responsable scientifique du projet. « Il peut enregistrer des mouvements sismiques ayant une fréquence comprise entre 1 mHz et 12,4 mHz, avec une sensibilité de 2,4 × 10−5 μrad/Hz½ », explique Julian Budagov, du JINR, co-responsable scientifique. « Cela équivaut à mesurer un déplacement vertical de 24 picomètres (24 millionièmes de millionième de mètre) sur une distance d’un mètre », ajoute Mikhail Lyablin, du JINR, également co-responsable scientifique.

L’équipe a assemblé et testé le prototype de l’inclinomètre au JINR et dans le tunnel TT1 du CERN. Celui-ci a tellement bien fonctionné qu’il a révélé son potentiel pour devenir un système sismologique d’alerte précoce utile pour le Grand collisionneur de hadrons à haute luminosité (HL-LHC) et pour d’autres machines et expériences. Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) et ses faisceaux de protons sont extrêmement résistants à l’activité sismique, mais le HL-LHC utilisera des faisceaux plus fins afin d’augmenter le nombre de collisions proton-proton et donc le potentiel de découvertes en physique des particules. Cela signifie que les faisceaux seront plus susceptibles de dévier en cas de tremblement de terre de grande magnitude avec un épicentre relativement proche du CERN. Des inclinomètres laser de précision situés en plusieurs points autour de la machine pourraient servir de systèmes d’alerte précoce pour de tels événements.

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L’inclinomètre laser de précision (deux graphiques du bas) a détecté les mêmes signaux que des dispositifs déjà installés auprès de Virgo (deux graphiques du haut) pour un tremblement de terre survenu le 17 août dans le Nord de l’Italie (Image : Beniamino Di Girolamo/CERN)

Étant donné le potentiel de ces dispositifs, le projet HL-LHC a fourni un soutien à l’équipe concernée pour la construction de plusieurs nouveaux inclinomètres laser de précision. L’un de ceux-ci est déjà installé à l’observatoire sismique de Garni (Arménie), et un autre a été déployé avec le soutien du groupe Transfert de connaissances du CERN et de l’institut italien INFN à l’observatoire gravitationnel européen EGO, en Italie, où se trouve le détecteur avancé Virgo. L’inclinomètre laser de précision de Virgo est le fruit d’une collaboration qui a commencé après la Conférence du Consortium européen pour la physique des astroparticules (APPEC) en novembre 2018, et a été initiée par le Directeur général du JINR et encouragée par la Direction du CERN. La collaboration s’est tellement bien déroulée que, moins d’une année plus tard, l’inclinomètre laser de précision destiné à Virgo était testé.

Les résultats des premiers tests sont encourageants. Avec les données enregistrées pendant seulement 15 minutes, le 6 août, l’inclinomètre laser de précision a détecté les mêmes signaux que des dispositifs déjà installés auprès de Virgo ; à partir de ce jour-là, il a commencé à fonctionner en continu et a détecté plusieurs tremblements de terre de faible magnitude. L’équipe de Virgo et celle travaillant sur l’inclinomètre mettent à présent en place le système de flux de données entre le capteur et le système de données de Virgo. Cela facilitera la comparaison entre les données issues de différents dispositifs sismiques et l’évaluation de l’influence que pourrait avoir l’utilisation d’inclinomètres laser de précision sur le fonctionnement de Virgo et la détection des ondes gravitationnelles. « Virgo et les deux détecteurs LIGO, situés aux États-Unis, ont récemment entamé une nouvelle quête d’ondes gravitationnelles ; lors de celle-ci, ils chercheront plus profondément dans l’Univers que lors des campagnes précédentes, explique Fulvio Ricci, de l’Université La Sapienza, à Rome, ancien porte-parole de Virgo. Nous sommes convaincus que l’inclinomètre laser de précision peut jouer un rôle dans cette importante recherche. »


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