A rendering of Extensive Air Showers, Simon Swordy, http://apod.nasa.gov/apod/ap060814.html
LACTEL: à la chasse aux rayons cosmiques dans le Léman
Un téléscope sous les eaux du Léman
Chaque seconde, la Terre est bombardée par des particules venues de l’espace, appelées rayons cosmiques. Se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière, elles transportent des énergies bien supérieures à celles produites par les plus puissants accélérateurs de particules. Lorsqu’elles pénètrent dans l’atmosphère terrestre, elles provoquent des cascades de particules secondaires, appelées gerbes atmosphériques (Extensive Air Showers), qui atteignent ensuite le sol.
L’étude de ces gerbes permet aux physiciens de mieux comprendre les phénomènes les plus extrêmes de l’Univers. Le défi consiste cependant à distinguer les événements rares, produits par des rayons gamma ou des électrons cosmiques, du très grand nombre de gerbes générées par les rayons cosmiques « ordinaires ».
Le projet LACTEL (LAke-based Cosmic ray electron and gamma-ray TELescope) propose une approche originale : transformer le lac en détecteur de particules. Son principe repose sur la mesure de la faible lumière émise lorsque les particules traversent l’eau. Cette lumière est appelée lumière Tcherenkov, un phénomène comparable au bang supersonique d’un avion dépassant la vitesse du son.
Cette lumière est détectée grâce à des tubes photomultiplicateurs, des capteurs extrêmement sensibles placés dans des compartiments étanches à la lumière et immergés sous la surface du lac.
En combinant des détecteurs installés à différentes profondeurs, les chercheurs peuvent identifier la nature de la particule à l’origine de la gerbe et distinguer les rares événements d’intérêt du bruit de fond. L’objectif est d’explorer une gamme d’énergie encore très peu étudiée, comprise entre 10 et 100 TeV (téraélectronvolts). À titre de comparaison, le plus grand accélérateur à particules du monde (LHC), près de Genève, accélère des protons jusqu’à une énergie de 14 TeV.
Le projet s’inscrit également dans une démarche de durabilité. Plutôt que de construire de nouveaux détecteurs, LACTEL réutilise des modules optiques provenant du télescope à neutrinos ANTARES, qui a été exploité au fond de la mer Méditerranée jusqu’en 2022. Chaque module contient un tube photomultiplicateur logé dans une sphère en verre capable de résister à la forte pression et de détecter les très faibles éclairs de lumière Tcherenkov.
LéXPLORE, un terrain d’essai idéal
Les premiers prototypes ont été déployés à la plateforme LéXPLORE. Grâce aux infrastructures existantes et à l’expertise des équipes techniques, la plateforme a offert un environnement idéal pour tester, installer et exploiter les premiers détecteurs dans des conditions réelles.
Déploiement des premiers prototypes à LéXPLORE© Guillaume Cunillera, 2025
Le développement des prototypes s’est fait par étapes. Les deux premiers modèles, installés en 2024, ont permis de valider et d’améliorer la conception mécanique. Le premier a mis en évidence un déséquilibre entre la flottabilité de la plateforme et le poids du détecteur immergé. Une seconde version, reposant sur des bouées plutôt qu’une plateforme rigide, a résisté aux premières tempêtes hivernales avant de céder à la fatigue mécanique.
Un troisième prototype, installé en octobre 2025, a introduit une conception plus robuste en dissociant la structure de surface du compartiment immergé grâce à un système de chaînes réduisant les contraintes mécaniques. Cette nouvelle version a traversé tout l’hiver avec succès, résistant aux tempêtes et à la houle sans subir de dommages majeurs.
Une première campagne de mesures prometteuse
Une fois cette nouvelle structure validée, l’équipe a pu réaliser sa première campagne complète d’acquisition de données. Le boîtier électronique, installé sur une embarcation amarrée sur le lac et relié aux modules optiques, a été piloté à distance pendant plusieurs nuits consécutives.
Configuration pour la première acquisition de données © Guillaume Cunillera, 2025
Le système a enregistré les impulsions produites par les tubes photomultiplicateurs chaque fois qu’une particule chargée traversait le détecteur et générait un éclair de lumière Tcherenkov. Les essais ont confirmé le bon fonctionnement de l’ensemble de la chaîne d’acquisition et de communication dans des conditions réelles d’exploitation.
Cette première campagne marque une étape importante pour le projet. Elle valide le concept du détecteur et ouvre la voie à la construction d’un réseau de plusieurs cellules élémentaires. La prochaine étape consistera à déployer ces nouvelles unités dans un lac de plus petite taille au cours de l’année 2026.
Le projet LACTEL illustre ainsi le potentiel de LéXPLORE comme plateforme d’essais pour des technologies innovantes, bien au-delà de la limnologie. En offrant un environnement unique pour le développement et la validation d’instruments scientifiques en conditions réelles, LéXPLORE contribue à faire avancer la recherche dans des domaines aussi variés que la physique des particules, les sciences de l’environnement et l’observation des milieux aquatiques.
