Un nombre considérable de particules invisibles voyagent constamment à travers la Terre, traversent notre corps et continuent dans l’espace comme si rien ne leur faisait obstacle. Connues sous le nom de neutrinos, ces mystérieuses particules comptent parmi les objets les plus difficiles à détecter de l’univers. Pourtant, les scientifiques trouvent des moyens de capturer des preuves de leur passage, ouvrant ainsi de nouvelles opportunités pour étudier le cosmos et ses environnements les plus extrêmes.
La recherche sur les neutrinos a joué un rôle remarquable dans la physique moderne. Les découvertes impliquant ces particules ont contribué à cinq prix Nobel de physique. Cette année, le physicien Francis Halzen a reçu le prestigieux prix « pour ses contributions décisives à l’observatoire de neutrinos IceCube et à la découverte de neutrinos de haute énergie d’origine astrophysique ».
George Fuller, professeur émérite de physique à l’Université de Californie à San Diego, étudie la physique nucléaire, l’astrophysique des particules et la cosmologie depuis des décennies. Il a également collaboré avec Halzen sur un premier article scientifique sur IceCube. Son expertise permet d’expliquer ce qui rend les neutrinos si inhabituels et pourquoi les scientifiques ont construit un énorme observatoire au plus profond de la glace de l’Antarctique pour les étudier.
Qu’est-ce qui rend les neutrinos si mystérieux ?
Les neutrinos appartiennent à un groupe appelé particules élémentaires, qui, selon les scientifiques, ne contiennent pas de composants plus petits. Il en existe trois variétés, appelées neutrinos électroniques, muoniques et tau. Contrairement aux particules chargées électriquement, les neutrinos n’ont aucune charge électrique. Ils ont certes une masse, mais elle est extraordinairement petite, potentiellement environ 10 millions de fois inférieure à la masse d’un électron. Leurs masses exactes restent inconnues, tout comme le mécanisme responsable de leur production.
Une autre caractéristique remarquable est leur capacité à voyager à travers la matière sans quasiment aucune résistance. Parce que les neutrinos interagissent si rarement avec d’autres particules, ils peuvent parcourir de vastes distances à des vitesses proches de la vitesse de la lumière.
Les neutrinos proviennent de nombreux endroits différents, notamment du Soleil, de régions lointaines de l’espace et de sources que les scientifiques n’ont pas encore identifiées. Ils sont également étonnamment abondants. Les estimations suggèrent que l’univers contient environ 1089 de neutrinos, soit environ un milliard pour chaque atome existant.
“Les neutrinos sont de véritables particules ressemblant à des fantômes”, a déclaré Fuller. “Il est difficile de les arrêter. Il est difficile de les attraper. Comment savons-nous qu’ils existent ou où ils se trouvent ?”
Particules fantômes qui traversent presque tout
Malgré leur nature insaisissable, les neutrinos interagissent occasionnellement avec la matière par le biais d’une force fondamentale connue sous le nom d’interaction faible. Cette force est environ 20 ordres de grandeur plus faible que l’électromagnétisme. De telles interactions peuvent provoquer la dispersion ou l’absorption des neutrinos, offrant ainsi aux scientifiques un moyen de les détecter. Cependant, ces événements sont si rares que leur observation nécessite un équipement exceptionnellement sensible.
Leur capacité à se déplacer à travers une matière dense fait également des neutrinos de précieux messagers provenant de régions de l’univers autrement inaccessibles. Ils peuvent s’échapper des environnements entourant les étoiles en effondrement et les trous noirs, transportant des informations que d’autres formes de rayonnement ne pourraient pas révéler.
L’ampleur de cette activité invisible est stupéfiante. Environ 100 milliards de neutrinos traversent chaque centimètre carré de votre corps chaque seconde, presque inaperçus.
“Comme l’interaction est si faible, les neutrinos peuvent traverser presque tout”, a déclaré Fuller. “Des années-lumière de plomb – selon leur énergie, ils pourraient le traverser.”
Comment les scientifiques ont appris à détecter les neutrinos
La recherche des neutrinos a commencé bien avant que la technologie permettant de les observer n’existe. Dans les années 1930, le physicien Wolfgang Pauli a proposé qu’une particule inconnue pourrait expliquer pourquoi l’énergie semblait manquer lors de certaines formes de désintégration radioactive. Il a initialement utilisé un nom différent pour la particule hypothétique (il les appelait alors « neutrons »).
Pauli comprit combien il serait difficile de vérifier son idée. Il a reconnu le problème en déclarant : « J’ai fait une chose terrible, j’ai postulé une particule qui ne peut pas être détectée. »
Pendant des décennies, les neutrinos sont restés hors de portée des expériences. Cela a changé en 1956, lorsque les physiciens Clyde Cowan et Frederick Reines ont réussi à les détecter dans une expérience connue sous le nom de « Projet Poltergeist ».
Cette avancée a permis d’établir que les neutrinos étaient réels, mais leur détection restait un énorme défi. Les scientifiques avaient besoin d’instruments de plus en plus sophistiqués pour étudier les neutrinos les plus rares et les plus énergétiques arrivant de l’espace.
Pourquoi l’Antarctique est idéal pour chasser les neutrinos cosmiques
Au cours des années 1990, Halzen a reconnu que le pôle Sud offrait un environnement naturel extraordinaire pour la recherche sur les neutrinos. Loin sous la surface de l’Antarctique, d’immenses volumes de glace sont exceptionnellement clairs, avec relativement peu de bulles ou de contaminants susceptibles d’interférer avec la détection de faibles éclairs lumineux.
Sa vision a finalement conduit à l’Observatoire de neutrinos IceCube, un gigantesque instrument scientifique intégré dans environ un kilomètre cube de glace de l’Antarctique. Pour le construire, les chercheurs ont foré des trous profonds et ont descendu de longues chaînes de détecteurs de lumière sensibles appelés tubes photomultiplicateurs.
Ces instruments recherchent de brefs éclairs de lumière bleue produits par un phénomène appelé rayonnement Tchérenkov. La lumière apparaît lorsqu’un neutrino interagit avec la matière contenue dans la glace et produit une particule chargée se déplaçant plus rapidement que la lumière ne peut traverser cette matière.
En enregistrant ces éclairs, les chercheurs peuvent identifier des traces de neutrinos qui autrement traverseraient la Terre sans laisser de trace détectable.
Particules extraordinaires venues de l’espace profond
IceCube est particulièrement important pour étudier les neutrinos provenant de sources cosmiques lointaines avec des énergies extraordinairement élevées. Contrairement aux énormes quantités de neutrinos de relativement faible énergie produites par le Soleil, ces puissants visiteurs cosmiques sont extrêmement rares. L’observatoire ne détecte chaque année que quelques dizaines d’exemples parmi les plus énergétiques.
Lorsqu’un de ces neutrinos interagit avec la glace, il peut produire un électron ou un muon se déplaçant rapidement. Un muon, par exemple, génère un cône de lumière Tchérenkov lorsqu’il traverse la glace. Les scientifiques analysent le modèle de lumière résultant pour estimer l’énergie du neutrino et reconstruire la direction d’où il est arrivé.
Pour Fuller, ces neutrinos exceptionnellement énergétiques comptent parmi les découvertes les plus passionnantes d’IceCube, car leurs origines et les processus physiques responsables de leur accélération restent mal compris.
“Certains neutrinos de très haute énergie détectés à IceCube ont environ 10 milliards de fois l’énergie d’un neutrino typique du Soleil. Un neutrino détecté par une expérience similaire a une énergie 200 fois supérieure à celle-là. Nous ne savons pas vraiment d’où vient ce neutrino”, a-t-il déclaré. “Le fait que cela soit arrivé ici peut dire quelque chose de profond sur l’univers. En ce sens, Halzen est vraiment à la frontière de la physique expérimentale fondamentale des particules.”
Les neutrinos pourraient révéler les secrets du Big Bang
L’effort scientifique visant à comprendre les neutrinos s’étend bien au-delà de l’Antarctique. Les chercheurs de l’UC San Diego sont également impliqués dans un autre observatoire majeur qui pourrait offrir de nouvelles informations sur ces particules insaisissables et sur les débuts de l’histoire de l’univers.
Situé dans le désert d’Atacama au Chili, l’Observatoire Simons recueille des informations sur le fond cosmique des micro-ondes, l’ancien rayonnement laissé par l’univers primitif. Souvent décrit comme la lumière la plus ancienne du cosmos, ce rayonnement fournit un témoignage précieux des conditions qui existaient peu après le Big Bang.
L’UC San Diego a contribué à la création de l’observatoire et Brian Keating, professeur émérite de physique à l’université, en est le chercheur principal.
Bien que l’observatoire étudie principalement la lumière ancienne, ses mesures peuvent également révéler des informations sur les neutrinos datant des premiers stades de l’histoire cosmique. Le projet pourrait fournir une énorme quantité de nouvelles données liées à ces particules anciennes, offrant potentiellement des informations que d’autres expériences ne peuvent pas obtenir.
Fuller pense que les observations attendues pourraient améliorer la compréhension des scientifiques sur le Big Bang, les débuts de l’évolution de l’univers et d’autres questions fondamentales sur la façon dont le cosmos s’est développé.
“Le travail de Halzen, et celui de ceux qu’il a inspirés par sa vision, a été fondamental pour donner à l’humanité une nouvelle fenêtre sur l’univers et sur le neutrino mystérieux et notoirement glissant”, a-t-il déclaré.
