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Un neutrino éblouit l’astrophysique
Un séisme ! C’est littéralement ce qu’ont enregistré les détecteurs de l’expérience KM3NeT/ARCA, le 13 février 2023. La découverte, qui vient de faire l’objet d’un article dans la revue Nature1, a laissé les astrophysiciens abasourdis. Les photomultiplicateurs – répartis sur 24 lignes de 700 mètres chacune, et immergés au large de la Sicile – ont détecté le neutrino le plus énergétique jamais mesuré : 220 petaélectronvolts (PeV), soit près de 30 fois l’énergie du précédent record !
L’origine de cette particule inouïe n’a pas encore été identifiée. Trou noir tapi au cœur d’une galaxie ? Sursaut gamma ? Supernova ? Quoi qu’il en soit, « avec cette détection, nous assistons littéralement à l’émergence de l’astrophysique des neutrinos à ultra haute énergie », s’enthousiasme Paschal Coyle2, porte-parole de KM3NeT3. Aux côtés des particules de lumière (photons) et des ondes gravitationnelles, le « petit neutre » ouvre une nouvelle fenêtre sur l’Univers. Capable de s’extirper des environnements les plus chahutés pour voyager ensuite en ligne droite depuis le plus lointain du cosmos, il assure de pouvoir accéder bientôt à l’intimité des phénomènes les plus extrêmes de l’Univers.
Une chose est sûre, le neutrino a le vent en poupe. Et c’est un étrange destin que celui de cette particule élusive, imaginée en 1930 par Wolfgang Pauli pour résoudre un problème d’énergie « perdue » dans une expérience de radioactivité. À l’époque, s’agissant a priori d’une particule indétectable, le théoricien qualifie sa création d’hypothèse « terrible ». Finalement détecté en 1956, le neutrino n’a par la suite fait que surprendre et ravir les spécialistes de la matière. Et, aujourd’hui, il s’est mué en particule centrale de la physique.
Des expériences qui défient l’imagination
Mais ce messager est aussi une gageure expérimentale à nulle autre pareille. 60 milliards de neutrinos traversent chaque centimètre carré de la Terre par seconde… sans laisser la moindre trace. Détecteurs géants placés au fond de mines désaffectées, faisceaux de particules voyageant sur des centaines de kilomètres, températures cryogéniques… Pour en détecter ne serait-ce que quelques-uns, les physiciennes et physiciens doivent concevoir des expériences qui défient l’imagination.
Plusieurs sont en cours de construction, de qualification (test), voire ont commencé à amasser des données. Et ses adeptes sont unanimes : le neutrino est peut-être en passe de répondre à rien moins que la question de l’origine de la matière dans l’Univers.
La « révolution neutrinos » débute en 1998. Deux expériences montrent que les trois espèces de neutrinos (électronique, muonique et tauique) ont la faculté de se transformer les uns en les autres périodiquement – on dit qu’ils « oscillent ». Or, selon les équations de la théorie des particules (le modèle standard), cela n’est possible qu’à la condition que ces particules, à l’instar des quarks ou des électrons, possèdent une masse. Problème : ces mêmes équations indiquent que les neutrinos sont de masse nulle. « Dès lors, les neutrinos ont entrouvert une porte sur une physique radicalement nouvelle, au-delà de ce que l’actuelle théorie des particules élémentaires est en mesure de décrire », s’enthousiasme Anselmo Meregaglia4, directeur du réseau international de recherche IRN Neutrino.
Une deuxième génération d’expériences a étudié en détail ces oscillations. Elles visaient notamment à mesurer le plus précisément possible ce que les spécialistes appellent les « angles de mélange », soit les trois paramètres dont la valeur reflète la faculté des neutrinos à osciller d’une « saveur » à une autre. En particulier, alors que l’on pouvait s’attendre à ce que l’angle dit θ13 soit égal à 0, plusieurs expériences, dont l’expérience française Double Chooz, démontrent qu’il n’en est rien. Sa valeur n’est certes pas très élevée, mais elle n’est pas nulle.
C’est un coup de tonnerre. Car, si l’origine de la masse des neutrinos demeure un mystère, la preuve que les trois angles de mélange ont des valeurs différentes de 0 a une conséquence faramineuse – les neutrinos sont peut-être à l’origine de la présence de la matière dans l’Univers !
Une asymétrie matière-antimatière
Pour le comprendre, il faut remonter à la genèse du cosmos qui, si les lois connues de la physique s’y appliquent, fait émerger matière et antimatière de l’espace-temps à parts égales. Or, matière et antimatière s’annihilant l’une l’autre, l’Univers aurait dû, par conséquent, se retrouver parfaitement vide en une fraction de seconde, à l’exception de l’intense radiation résultant de ce choc des contraires. À moins que – nous sommes là pour en témoigner ! – un mécanisme ait favorisé la matière par rapport à l’antimatière.
Sur le papier, ce mécanisme a été imaginé de longue date par les théoriciens. Appelé « violation de CP », il exprime que particules de matière et d’antimatière ne partagent pas exactement les mêmes propriétés. Observée au niveau des quarks dès 1964, cette asymétrie s’est néanmoins révélée trop faible pour expliquer la disparition de l’antimatière dans l’Univers. En revanche, les indices s’accumulent en faveur d’une violation de CP beaucoup plus forte dans le « secteur » des neutrinos. En particulier, des angles de mélange non nuls sont une condition nécessaire à cette violation.
Mais ce n’est pas suffisant. Pour que l’asymétrie entre neutrinos et antineutrinos soit conséquente, il faut également qu’un autre paramètre, appelé « phase complexe », voit sa valeur la plus proche possible de 90° ou de 270°. À partir de 2016, grâce à un dispositif s’étendant sur 300 kilomètres entre un accélérateur créant des neutrinos et un détecteur géant de 50 millions de litres, l’expérience japonaise T2K a annoncé des résultats en ce sens5. « Mais, combinés aux résultats de l’expérience NOvA, aux États-Unis, la situation est bien moins claire et demeure très ouverte », commente Anselmo Meregaglia.
Pour en apprendre davantage, plusieurs expériences monstres s’apprêtent à relever le défi. Depuis juin 2024, T2K prend de nouvelles données avec un faisceau plus puissant et un détecteur proche (placé à 100 mètres du lieu de production des neutrinos) mis à niveau, notamment grâce à l’investissement des experts du CNRS.
« Cela permet une meilleure détermination du spectre des neutrinos avant propagation vers le détecteur, une donnée essentielle pour interpréter le résultat des oscillations différenciées entre neutrinos et antineutrinos, explique Claudio Giganti6, responsable scientifique du projet T2K. D’ici 2027, nous aurons doublé ou triplé notre statistique, ce qui permettra peut-être de donner une indication de la valeur de la phase complexe ou bien d’exclure d’autres valeurs. »
En parallèle, les scientifiques terminent la mise en place du détecteur Hyper-Kamiokande (HK), qui bénéficiera lui aussi des améliorations portées à T2K. Huit fois plus volumineux que ce dernier, HK contiendra 260 000 tonnes d’eau ultra pure dans un réservoir de 71 mètres de profondeur et 68 mètres de largeur.
Le CNRS aux avant-postes
La France et le CNRS sont impliqués de longue date auprès des expériences japonaises. Ils ont ainsi la charge de synchroniser les signaux qui seront reçus par les 20 000 photomultiplicateurs bordant le réservoir pour détecter les photons émis par les rares interactions entre les neutrinos et les molécules d’eau. Ils sont aussi responsables de la calibration de l’électronique. « Le démarrage est prévu pour 2027, poursuit l’expert. En un an, HK a le potentiel de prendre autant de données que T2K en 20 ans. »
Mesurer cette différence sera également l’objectif de DUNE. Expérience « cousine » de HK, elle vise à étudier les oscillations de neutrinos produits par un accélérateur situé au Fermilab (États-Unis) et décelés 1 300 kilomètres plus loin – par 4 détecteurs remplis chacun de 17 000 tonnes d’argon liquide et enterrés à 1 500 mètres de profondeur au fond d’une mine désaffectée du Dakota du Sud. Courant 2024, l’excavation des cavités de 28 mètres de haut pour 190 mètres de longueur et 21 mètres de largeur a été achevée. « L’installation des infrastructures techniques est en cours et celle des deux premiers détecteurs devrait commencer cette année, avec un objectif de rendre le premier opérationnel en 2028 », détaille Laura Zambelli7, membre de la collaboration DUNE.
En vue de cet objectif, les spécialistes du CNRS sont aux avant-postes, avec en particulier la responsabilité du développement du premier détecteur. Celui-ci bénéficiera notamment de la technologie dite de « dérive verticale ». Issue de 15 années de R&D effectuée en partie dans les laboratoires français, elle permettra d’accroître la résolution des événements se produisant au sein du détecteur.
Qui de DUNE ou de Hyper-Kamiokande sera la première à mesurer avec certitude la violation de CP dans le secteur des neutrinos ? « Si l’asymétrie matière-antimatière est importante, nous aurons peut-être un résultat définitif en quelques années », envisage Claudio Giganti. « DUNE commencera sa prise de données quelques années plus tard, analyse sa consœur de DUNE. En revanche, par rapport à l’eau, l’argon liquide offre une probabilité d’interaction supérieure et permet une signature plus précise des événements. » À moins que – et en particulier si l’asymétrie recherchée est faible – seule la fusion des résultats des deux expériences permette (peut-être) de trancher !
Une compétition mondiale
Auparavant, d’autres expériences livreront elles aussi quelques-uns des secrets des neutrinos. En particulier l’expérience JUNO. Son principe ? Un détecteur sphérique de 35,4 mètres de diamètre rempli de 20 000 tonnes d’un liquide scintillant pour détecter les neutrinos émis par les réacteurs des centrales nucléaires de Yangjian et de Taishan, en Chine, distante chacune de 53 kilomètres des installations scientifiques. Objectif : affiner les mesures de différents paramètres, notamment certains des angles de mélange, mais surtout contribuer à établir la hiérarchie de masse des neutrinos – autrement dit, savoir si les masses des neutrinos électronique, muonique et tauique vont croissant, ou bien l’inverse.
C’est très technique, mais la question de l’origine inconnue de la masse des neutrinos en dépend – et donc également celle de la raison profonde de la violation de CP et, par voie de conséquence, celle de la disparition de l’antimatière dans l’Univers. Vertigineux !
Comme le précise Marco Dracos8, membre de JUNO, « le remplissage du détecteur est en cours et la prise de données démarrera avant la fin de l’année ». Celle-ci bénéficiera de plusieurs développements issus des laboratoires du CNRS : les détecteurs permettant de soustraire les signaux parasites engendrés par les muons cosmiques, et une partie des photomultiplicateurs collecteurs de photons issus de l’interaction des neutrinos avec le liquide scintillant. « Après 10 ans de préparation, j’observe une très grande impatience », note le physicien.
Il règne ce mélange d’esprit de compétition et de collaboration que l’on observe entre des expériences qui mobilisent chacune des milliers de chercheurs du monde entier. Car, concernant l’établissement de la hiérarchie de masse, si JUNO part devant, il n’est pas certain qu’elle puisse à elle seule conclure définitivement. À l’inverse, DUNE a ce potentiel, mais ne prendra des données avec les neutrinos d’accélérateur qu’à partir de 2031. Et Hyper-Kamiokande peut également tirer son épingle du jeu…
Un outsider sous la Méditerranée
À moins que… les premiers éléments de réponse viennent du fond de la mer Méditerranée. C’est l’ambition de la collaboration ORCA (alter ego d’ARCA pour la physique fondamentale), qui enregistre des données depuis 2020. Son principe est littéralement renversant. Dans sa version nominale, en cours de déploiement, 64 000 capteurs de lumière seront placés à 2 450 mètres de profondeur, à 40 kilomètres au large de Toulon, avec pour mission de détecter des neutrinos produits dans l’atmosphère terrestre de « l’autre » côté de la Terre, après leur traversée de notre planète ! « La hiérarchie de masse affecte la façon dont les neutrinos oscillent lorsqu’ils traversent la Terre, explique Paschal Coyle. Et, dans le meilleur des cas, nous aurons peut-être une première indication sérieuse dès 2027 ou 2028 ! »
Les spécialistes KM3NeT/ORCA seront-ils les premiers à révéler la hiérarchie de masse des neutrinos ? Dans l’intervalle, leurs collègues d’ARCA, forts de leur observation du neutrino le plus énergétique jamais enregistré, perceront-ils quelques secrets relatifs aux processus astrophysiques parmi les plus violents du cosmos ? « Ces dernières années, les neutrinos ont révélé tout leur potentiel pour avancer sur des questions absolument fondamentales. Et, avec les expériences à venir, on est sûr de découvrir quelque chose. C’est fascinant », prédit Anselmo Meregaglia. Ce n’est plus qu’une question de patience !
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Ricochet : l’expérience XXS qui a tout d’une grande
Les physiciens des particules élémentaires sont des habitués des expériences format XXL. Pour autant, il est également possible d’explorer certaines questions fondamentales non pas dans un déluge d’énergie, mais tout en finesse. C’est l’objectif de l’expérience Ricochet, en cours à l’Institut Laue-Langevin (Grenoble), et dont les premiers résultats sont attendus cette année.
Précisément, cette expérience vise à étudier l’interaction entre, d’une part, les neutrinos de très faible énergie émis par le réacteur nucléaire de recherche de l’institut et, d’autre part, les noyaux atomiques au sein de détecteurs refroidit à 0,01 K, à travers la détection de la chaleur produite par le recul de ces noyaux lors d’une interaction. De cette manière, les spécialistes ont pour objectif d’étudier en détail l’interaction faible, l’une des forces qui agit au sein de l’univers élémentaire, et dont certaines manifestations pourraient révéler de nouveaux phénomènes non prévus par le modèle standard, l’actuelle théorie des particules élémentaires.
« Chaque détecteur a la taille d’un pot de yaourt, à l’opposé de ce dont on a l’habitude en physique des particules, s’enthousiasme Leïla Haegel9, membre de Ricochet. Cela nous permet de développer des technologies plus compactes et plus rapidement déployables pour détecter les neutrinos dans un régime à basse énergie encore à peine exploré. » Une expérience XXS qui assume la possibilité de résultats grandioses !
- 1. « Observation of an ultra-high-energy cosmic neutrino with KM3NeT » : https://doi.org/10.1038/s41586-024-08543-1
- 2. Paschal Coyle est chercheur auCentre de physique des particules de Marseille (CPPM, unité CNRS/Aix-Marseille université) et au Laboratoire sous-marin Provence Méditerranée (LSPM, unité CNRS).
- 3. Pour (Cubic Kilometre Neutrino Telescope), une infrastructure européenne de recherche constituée de deux télescope, située au fond de la mer Méditerranée et dédiée à l'étude des neutrinos.
- 4. Chercheur au Laboratoire de physique des 2 infinis (LP2I, unité CNRS université de Bordeaux).
- 5. Voir www.nature.com/articles/s41586-020-2177-0#change-history
- 6. Chercheur au Laboratoire physique nucléaire et hautes énergies (LPNHE, unité CNRS/Sorbonne Université).
- 7. Chercheuse au Laboratoire d’Annecy de physique des particules (LAPP, université CNRS/université Savoie Mont Blanc).
- 8. Directeur de recherche à l’Institut pluridisciplinaire Hubert Curien (IPHC, unité CNRS/université de Strasbourg).)
- 9. Chercheuse à l’Institut de physique des deux infinis de Lyon (IP2I, unité CNRS/université Claude Bernard Lyon 1).)
Voir aussi
Auteur
Né en 1974, Mathieu Grousson est journaliste scientifique. Diplômé de l’École supérieure de journalisme de Lille, il est également docteur en physique.