Neutrinos de pêche sur glace

Chanceux ignorants tout au fond de la Terre

Un jour de février 2000, après un long forage, Bruce Kochi et moi nous sommes assis sur le sable dans le cratère d'un volcan au sommet du Kilimandjaro à une altitude de 5600 m. Nous nous sommes assis dos à dos contre nos sacs à dos et avons regardé le coucher du soleil, tandis que Kochi se laissait aller au souvenir de sa carrière.

«Je ne fais pas ça pour être foreur. Je déteste les voitures. Je suis peut-être l'un des rares ingénieurs au monde à les traiter de cette façon. Je les déteste. Les rares cas de rage qui m'arrivent sont dus à des machines qui ne font pas ce qu'elles devraient faire. »

«Je le fais par expérience. J'ai fait du kayak, puis j'ai quitté une bonne entreprise aérospatiale, et j'ai décidé de faire de l'écologie, puis je suis retourné à l'ingénierie par le biais de la glaciologie , en commençant au Minnesota. Je vais toujours quelque part juste à cause de l'endroit lui-même, mais pas à cause du forage. Je ferai de mon mieux pour que le forage se déroule bien, car cela signifie que je peux aller dans un autre bon endroit. "


Laboratoire IceCube à la station antarctique Amundsen-Scott. Il s'agit d'un détecteur de particules qui recherche les neutrinos émanant des sources astrophysiques les plus brillantes - des étoiles qui explosent, des éclats de rayons gamma, des cataclysmes impliquant des trous noirs et des étoiles à neutrons. Devant lui, il y avait un détecteur AMANDA .

Il n'a pas obtenu de diplôme scientifique en glaciologie et, comme il se souvient, «il manquait de temps très rapidement quand ils m'ont soudainement appelé et m'ont dit que l'Université du Nebraska-Lincoln recherchait une personne avec un diplôme d'ingénieur connaissant la glaciologie. Je leur ai donc téléphoné, j'ai été embauché par téléphone à la mi-octobre et deux semaines plus tard, j'étais assis dans un avion volant vers la banquise de Ross .

La plate-forme de glace Ross flotte à la surface de la mer près de la station antarctique McMurdo et fournit une plate-forme stable pour l'aérodrome de la station, Williams Field. C'est la plus grande masse de glace flottante de la planète, comparable en taille à la France. Pour la première fois, Bruce était là pendant l'été antarctique de 1977-1978.

L'Université du Nebraska-Lincoln a reçu un contrat de la National Science Foundation pour forer un puits à travers 60 m de plate-forme de glace afin qu'un groupe de scientifiques puisse étudier l'océan caché en dessous. Le jet de flamme utilisé dans l'industrie minière pour couper la pierre cristalline a servi de foret . Il se composait de deux compresseurs pesant 4,5 tonnes chacun, fournissant de l'air sous une pression de 70 atmosphères à un moteur à réaction modifié - en fait, un brûleur Bunsen géant - descendu dans un puits avec de l'eau boueuse, des flammes crachant et du carburant diesel non brûlé.

"Eh bien," dit Bruce, "elle gronde terriblement." Beaucoup de bruit, beaucoup de fumée, beaucoup de saleté. Mais elle a foré le plateau de glace assez rapidement. Il s'est avéré un trou d'environ 45 cm de diamètre, de sorte que les scientifiques ont pu y baisser leurs gadgets et mener leurs expériences. "

Au cours de la prochaine décennie, il a aidé le glaciologue Charlie Bentley de l'Université du Wisconsin Madison à forer de nombreux petits trous avec un foreur d'eau chaude - en général, un tuyau d'arrosage géant - dans diverses parties de l'Antarctique afin que Bentley puisse ensuite jeter de la dynamite dans les trous et se livrer à des expériences sismiques. Il a jeté un coup d'œil à l'art complexe du forage de carottes de glace , dans lequel une tige de forage creuse avec des parois intérieures lisses, des sculptures à l'extérieur et des dents pointues ci-dessous plonge périodiquement dans la glace pour couper des segments et les tirer un mètre à la fois. Il a foré des carottes de glace au Groenland et dans de nombreux endroits de l'Antarctique, y compris le pôle - et a également trouvé le temps pour l'invention du forage à haute altitude de carottes de glace.

Au printemps 1990, Bruce est devenu l'un des meilleurs spécialistes. Il a participé à trois douzaines d'expéditions de forage et était le meilleur spécialiste pratique du forage de la glace sous toutes ses formes sur la planète. Lorsque John Kelly, directeur du département américain de Polar Ice Core, est venu à Bruce et a demandé s'il serait intéressant d'aider un groupe de physiciens à forer quelques puits au Groenland pour explorer les possibilités de construire un télescope à neutrinos au pôle Sud, il a saisi cette chance. "Bien sûr!" - il se souvient de ses mots. «C'est le projet le plus intéressant dont j'ai jamais entendu parler! Si nécessaire, je ne dormirai pas et travaillerai la nuit. "

En août 1990, Bob Morse, physicien de l'Université du Wisconsin, et Tom Miller, diplômé de l'Université de Californie à Berkeley, se sont rendus au Groenland pour passer la première pêche sur glace aux muons. Leurs engins de pêche étaient constitués de trois multiplicateurs photoélectroniques obtenus par Morse.


Un capteur descendu dans un puits de glace

Bruce a préparé le puits qu'il a foré l'été dernier. Depuis l'effondrement des puits de glace en raison de la pression de la glace, il l'a foré à une profondeur de 217 mètres. Les physiciens y ont abaissé leur ligne de pêche et ont effectué la première partie des mesures. Ensuite, ils ont décidé qu'ils voulaient augmenter la connexion optique entre les photomultiplicateurs et la glace, et ont demandé si les foreurs avaient du liquide qui pourrait être versé dans le puits. Les fluides non congelés sont en pénurie à Greenland Heights, mais ils ont d'énormes réserves d' acétate de butyle utilisées pour empêcher l'effondrement du puits. Ils l'ont versé à l'intérieur pour qu'il soit suffisant pour couvrir la ligne de pêche et ont effectué des mesures répétées.

"Je ne sais pas pourquoi il nous a semblé que nous devions retirer la ligne de pêche", dit Bob, "mais nous l'avons retirée, et soudain nous avons vu cet épais mucus bleu qui recouvrait tout. L'acétate de butyle a dissous la gaine des fils et peint toute la neige et le liquide à proximité dans une belle couleur bleu violacé. Nous nous sommes demandé si nous aurions même au moins un peu de lumière à travers. Nous avons photographié les photomultiplicateurs avant de descendre, puis après la descente, et sur la deuxième photo, cela ressemble à une grande glace de raisin. Le liquide bleu était dans mes gants, dans mes vêtements, sur mon visage. C'était un colorant utilisé pour le câble. L'électricité fonctionnait, mais optiquement, nous n'étions pas sûrs de ce que nous avions fait. »

Jeune équipe AMANDA (Antarctic Muon And Neutrino Detector Array) [Réseau antarctique de détecteurs de muons et de neutrinos], qui comprenait Tim Miller, Buford Price, Andrew Westphal, Steve Barwick, Francis Halzen et Bob Morse [Doug Lowder, Tim Miller, Buford Price , Andrew Westphal, Steve Barwick, Francis Halzen, Bob Morse], ont envoyé une lettre au magazine Nature publiée en septembre de la même année. Francis estime que cette «lettre a lancé une expérience», démontrant que l'idée d'utiliser la glace polaire comme détecteur de neutrinos était «encore folle, mais pas trop».

La lettre indique que «le puits était rempli d'acétate de butyle, un fluide organique choisi en raison de la basse température de congélation et de la clarté optique». Aucune mention de mucus bleu. «Nous avons trouvé les résultats inspirants et prévoyons de mener des expériences plus approfondies au pôle Sud au cours de l'été prochain.»

C'est avec de tels obstacles et lacunes qu'ils mènent des expériences scientifiques. Comme l'a écrit Bob Morse:

Le Groenland est un excellent exemple d'expérience concoctée à la hâte pour ne pas rater l'occasion. Des erreurs ont été commises et des données imparfaites ont été obtenues, qui étaient encore utiles, comment l'échec peut être utile avec la bonne approche. Il s'agit d'une petite expérience qui a précédé le projet AMANDA, avait toutes les fonctionnalités des projets AMANDA et IceCube créés plus tard. Les succès qui sont venus plus tard n'ont été obtenus que grâce au débogage des systèmes de placement et de réception des données - mais cette tâche n'était pas anodine. Un exemple rare de la façon dont les organisations qui ont financé l'expérience font davantage confiance aux données (bien qu'imparfaites) qu'à de nombreux expérimentateurs.

Francis ajoute qu '"il est clair que nous n'avions aucune idée de ce que nous faisions, donc c'était une vraie étude, non?"

Il soupçonnait que «beaucoup de gens avaient une idée similaire, mais ils connaissaient mieux la glaciologie que moi et ont évidemment décidé que cela ne marcherait pas. Si nous avions vraiment compris ce que nous faisions, nous ne l'aurions probablement pas fait du tout. Et, il s'est avéré que beaucoup de choses que nous aurions dû savoir se sont révélées fausses. »


Installation de chauffage de 5 MW sur la plate-forme IceCube. De l'eau chaude traverse les tuyaux, du système de chauffage jusqu'à l'endroit où la glace est actuellement forée. Le tuyau utilisé pour le forage mesure près de 3 km de long et est enroulé autour d'une grande bobine au centre.

Dans les conférences qu'il donne aujourd'hui à de jeunes scientifiques, il utilise parfois les débuts du projet AMANDA comme exemple d'aphorisme: «Ne lisez pas de livres, faites des affaires. Il vaut mieux être un chanceux ignorant. " Les découvertes originales sont généralement faites par des jeunes qui ne connaissent pas les connaissances généralement acceptées. Il croit qu'il a pu faire quelque chose d'original à son âge bien au-delà de 40 ans uniquement parce qu'il se sentait «jeune à nouveau», dans le sens de la naïveté. "Ce n'est que lorsque vous êtes encore ignorant et que vous n'avez pas lu tous les livres que vous pouvez faire quelque chose d'original et de nouveau."

Il est entré dans le monde des expériences, non contrôlé par la logique claire de la théorie. Dans les expériences, il faut non seulement prendre en compte de nombreux points pratiques et stratégiques - il est parfois préférable d'arrêter de penser un instant et de faire quelque chose.

S'il lisait un manuel faisant autorité sur l'optique de la glace et de l'eau, il "apprendrait" que la longueur d'absorption de la lumière bleue dans la glace pure - la distance à laquelle environ les deux tiers de la lumière est absorbée - est d'environ 8 mètres. Et puis ce serait fini. Ils rendaient les photomultiplicateurs et rentraient chez eux. Si le rayonnement de Cherenkov était effectivement absorbé à une si courte distance, il faudrait environ 2 millions de photomultiplicateurs pour remplir un kilomètre cube de glace, et cela ne leur coûterait que 6 milliards de dollars. Heureusement, le livre était très faux. Ils ont obtenu une valeur approximative de 18 mètres à partir des données du Groenland, et bien que ce chiffre soit également incorrect, c'était un pas dans la bonne direction.

Quelques années plus tard, alors qu'ils essayaient encore de comprendre la glace, mais avaient déjà reçu des signes que la longueur d'absorption était en fait même supérieure à 18 mètres, la bibliothèque de Madison a livré par erreur des livres destinés à quelqu'un d'autre au bureau Francis. Naturellement, il a commencé à les regarder, et quand il a atteint l'information sur la longueur d'absorption de huit mètres, il a senti un frisson se frayer un chemin dans son dos.

Au printemps sud de 1991, Bob Morse, Bruce Kochi, Steve Barwick et Tim Miller ont voyagé vers le sud pour effectuer le premier forage pour AMANDA. L'expérience PICO, à la recherche de preuves directes de l'existence de matière noire, a également envoyé une équipe de forage sur la mission, qui comprenait Bill Barber, un Britannique grand, de bonne humeur, imperturbable et incroyablement fort.

Ils voulaient utiliser un tuyau avec une buse à la fin pour pulvériser de l'eau chaude dans un flux parallèle, après quoi la buse devrait simplement être immergée dans la glace fondante sous l'influence de la gravité. Lors du forage avec de l'eau chaude, vous avez besoin de beaucoup d'eau très chaude sous haute pression et d'un tuyau de grand diamètre avec une bonne isolation thermique des murs afin que l'eau reste chaude en descendant et transfère autant de chaleur que possible à travers la buse vers la glace. Certes, il est nécessaire de maintenir un équilibre et de laisser s'échapper de la chaleur à travers les parois latérales pour que l'eau ne gèle pas dans la partie supérieure du puits. Un jour, Bruce a souligné qu'il n'y a pas de trop gros télescopes à neutrinos et "qu'il n'y a pas de trop gros forets avec de l'eau chaude, car le meilleur foret est celui qui perce un puits instantanément". Bien sûr, il s'agit d'un exercice imaginaire - délivrant une quantité de chaleur illimitée presque instantanément - mais il véhicule l'essence: vous avez besoin de beaucoup de chaleur et d'un énorme tuyau.

Bruce savait que leur installation, appelée Bucky-1, avait de sérieuses limites à ces deux égards. Le diamètre du tuyau n'était que de 2,5 cm et la station de chauffage, qui contenait plusieurs chaudières situées directement dans la rue sur la glace, ne produisait que 0,5 MW d'énergie. Le premier forage à eau chaude qu'il a utilisé sur le plateau de Ross a utilisé une station de 2 MW. "Nous savions que Bucky-1 avait des limites, mais lesquelles nous ne savions pas avec certitude, car c'était la première fois que quelqu'un essayait de forer une glace aussi froide et profonde." Il a calculé que lorsqu'ils dépassent 1000 m, la chaleur qui s'échappe en raison des pertes le long du tuyau dépasse la puissance générée par la station. En d'autres termes, la partie inférieure du tuyau peut geler. Il pourrait jouer à différents jeux, en essayant de l'empêcher de geler, par exemple, en le soulevant et en l'abaissant constamment pour chauffer l'eau dans le trou qui vient d'être fait, mais cela nécessiterait du carburant supplémentaire, et en effet ce serait assez difficile à faire.

«Le forage d'eau chaude n'est pas pour les mauviettes», dit-il. "Nous essayons de maintenir une température d'au moins 50 degrés, et ce n'est pas toujours agréable."

L'équipe du projet AMANDA a attiré tout le monde avec ses baignoires, dans lesquelles l'eau était chauffée pour le forage. Jusqu'à ce que la fondation scientifique arrête cette activité, elle organisait des fêtes dans des bains à remous sur le site de forage. Et c'est bien qu'ils se soient amusés, car le forage lui-même s'est bien passé.

Au deuxième puits, ils étaient gourmands et ont tenté de descendre en dessous de 1000 m, ce qui a conduit au pire résultat que l'on puisse attendre d'un forage à chaud.

"Bucky-1 était coincé avec nous", a rappelé Bob plus tard. "Il est toujours là."

"Ouais, comme une étiquette radar", a déclaré Bruce.

Bob dormait dans la tente arctique de Jamesweiss quand un foreur PICO, Dave Kestor, a collé sa tête dans le rideau et a murmuré qu'il avait de mauvaises nouvelles. Étant donné que l'un des trois postes du camp essaie constamment de s'endormir, le silence est constamment maintenu dans le «camp d'été».

«Que ferons-nous? - a demandé Dave. "Pour abaisser nos outils là-bas ou pas?"

"Mon Dieu, je ne sais pas", a répondu Bob. - Je pense que oui. Nous avons déjà beaucoup investi dans ce trou. Nous devons faire tout ce que nous pouvons. »

Il sortit du lit et partit à la recherche de Steve Barvik. «Je dis:« Steve, ils ont coincé une perceuse là-bas. » Steve est devenu fou furieux et a commencé à crier - il ne savait pas où était Tem Miller, alors il est allé regarder dans chaque tente à trois heures du matin, et a crié de toutes ses forces: «Tim Miller? Tim Miller, où diable êtes-vous? Où traînez-vous? »Et je pensais que maintenant un gros travailleur de deux mètres se levait et frappait Steve. Je pensais qu'il avait une casquette. "

PICO n'a effectué que deux quarts de travail, chacun ayant fonctionné pendant 12 heures, et la perceuse est restée bloquée pendant le quart de nuit. Bruce était dans la journée, et même s'il ne dormait toujours pas beaucoup pendant le forage, il marchait à côté, restait à jour, même pas pendant son quart de travail - il dormait juste quand une nuisance s'est produite. Et non seulement ils se sont retrouvés coincés dans la perceuse, mais ils ont également arrêté l'écoulement de l'eau dans le tuyau. C'est probablement la seule situation avec le forage d'eau chaude, dont il n'y a pas d'issue.

"Quiconque a déjà foré de l'eau chaude au moins une fois dans sa vie a fait une erreur et manquait de chaleur", a déclaré Bruce plus tard. Il a décidé qu'ils avaient même de la chance d'atteindre une telle profondeur.

Ils ont essayé de le retirer avec un bulldozer Caterpillar D7 .

Bob a dit: «Ce putain de tuyau s'est tiré comme une corde de violon. Il a rétréci à la moitié de son diamètre. Seul Bill Barber a eu le courage d'aller là-bas et de se tenir debout lorsque le tuyau sortait de ce trou, puis de prendre la scie et de la couper. Et nous avons vu comment ce tuyau disparaît dans le trou à la vitesse du son, et nous avons entendu un tel «fyuyuyuyuyu».

Et dans une telle situation, lorsque la fin du foret et une assez grande partie du tuyau ont disparu dans le puits, ils ont suivi les conseils de Bob endormi et ont abaissé la ligne de pêche avec l'équipement là-bas. Pour une raison ou une autre - le tuyau était coincé ou le puits s'est avéré trop étroit -, il n'a parcouru que 150 mètres, puis ils ont commencé à craindre que la lumière de la surface puisse atteindre les détecteurs et bloquer les signaux muons qu'ils pouvaient recevoir. Les photomultiplicateurs étaient extrêmement sensibles; ils travaillaient au niveau de photons uniques, c'est-à-dire qu'ils pouvaient détecter des particules de lumière individuelles.

"J'ai regardé autour de moi et j'ai dit:" Nous devons boucher un trou. Pourquoi la faire taire? », Se souvient Bob. - Nous avions de l'amiante et des sacs poubelles verts. Les écologistes auraient posé des briques s'ils avaient découvert cela: j'ai commencé à mettre de l'isolant d'amiante dans les sacs pour qu'ils prennent du volume, et je les ai jetés dans le trou, essayant de faire un bouchon avec la lumière. Je pense que j'en ai lancé trois ou quatre - autant que moi. "

Physique expérimentale, avec tous les défauts et problèmes.

Mark Bowen est écrivain et physicien. Il a écrit pour les magazines Climbing, Natural History, Science, Technology Review, AMC Outdoors et est impliqué dans des projets AMANDA et IceCube depuis 1998. Extrait du télescope dans la glace, 2017.