Un télescope immergé à 3 500 mètres de profondeur a observé un neutrino de très haute énergie. Une première mondiale qui pourrait répondre à la question de l’origine de la matière dans l’Univers.

C’est un bolide passe-muraille, une particule qui traverse tout, la terre comme notre corps, à la vitesse de la lumière et – heureusement pour nous – sans aucun effet. Le neutrino, produit dans le soleil par fusion nucléaire, par des cataclysmes cosmiques comme les supernovas, mais aussi dans notre atmosphère, « est la plus légère des particules massives connues qui interagit peu avec le reste de la matière », explique Sonia El Hedri, astrophysicienne au CNRS. Si l’on voulait stopper les neutrinos qui viennent vers nous, il faudrait construire un mur de plomb de 9 000 milliards de kilomètres.

« Les neutrinos viennent des confins de l’univers et parcourent la terre sans être absorbés par la poussière ou d’autres particules », précise Pascal Choyle, directeur du centre de recherche au Centre de physique des particules à Marseille. Comme ils ne se laissent pas altérer, leur message est intact, et on peut donc en trouver la provenance.

« C’est la chose la plus proche de rien que l’on puisse imaginer, et en même temps elle est essentielle pour comprendre le fonctionnement de l’univers, tout comme les rayons gamma, les photos à haute énergie, les rayons cosmiques », poursuit-il. Comme ils n’ont pas de charge, contrairement aux rayons cosmiques, ils peuvent indiquer directement leur origine.

Une énergie record

Ces particules, surnommées « ghost particules » (particules fantômes) tant elles sont difficiles à capturer, ont révélé une puissance que les astrophysiciens ne pouvaient imaginer. Une étude internationale, menée par le consortium KM3NeT, réunissant 67 laboratoires dans 21 pays, et publiée dans la revue Nature, vient de révéler l’existence d’un neutrino d’une énergie record, détectée par le plus grand télescope sous-marin jamais construit. Dépassant toutes les attentes des scientifiques, elle apporte la réponse à un mystère astronomique qui dure depuis deux ans.

Le 12 février 2023, un phénomène unique en son genre était en effet enregistré au large de la Sicile et de Toulon, à 3 500 mètres de profondeur. Dans l’obscurité des abysses, l’un des instruments scientifiques les plus ambitieux au monde, le télescope KM3NeT, détecte alors « un signal remarquable en provenance du cosmos », comme le décrit Pascal Choyle.

Les modules optiques de grande précision du télescope sous-marin, fixés sur des lignes de détection de plus de 700 mètres de haut, sont chargés de capter la trace de passage de neutrinos bien particuliers, des super neutrinos dont la puissance dépasse le méga, le giga et le tera. « On parle de Pev, péta électrons volts, une énergie considérable pour une particule infime » que seuls des détecteurs gigantesques sont capables de capturer, explique encore Antoine Kouchner, professeur à l’Université Paris Cité et président de l’assemblée des instituts du Consortium KM3NeT. En dehors du télescope sous-marin, il en existe deux, l’un installé sous une mine à Sudbury, au Canada, l’autre sous le mont Ikeo, au Japon. Le télescope KM3NeT, encore en construction en Sicile, mesurera à terme un kilomètre cube.

Plus de questions que de réponses

Deux ans plus tard jour pour jour, le 12 février dernier, les résultats de l’étude menée par le consortium sont publiés par Nature : « Le signal enregistré a été produit par un neutrino d’une énergie record de 220 Pev, soit un milliard de fois 100 millions de fois l’énergie des photons de la lumière visible, et environ 30 fois l’énergie la plus élevée des neutrinos détectée précédemment. »

Aart Heijboer, responsable physique et logiciel de KM3NeT, et chercheur à l’Institut national de physique subatomique Nikhef aux Pays-Bas, explique le phénomène : « Pendant quelques microsecondes, une particule chargée traversant notre détecteur, un muon, plus lourd que l’électron et qui se déplace à la vitesse de la lumière, a laissé une trace lumineuse captée par KM3NeT. Le muon supraluminique engendre alors un effet Cherenkov, une émission de lumière bleutée analogue au “bang” supersonique, mais dans l’optique. C’est cette lumière que les détecteurs de KM3NeT ont pu enregistrer. »

À Découvrir Le Kangourou du jourRépondreCette découverte ouvre plus de questions que de réponses. « C’est un phénomène probablement extra-galactique », avance Antoine Kouchner. Mais le spécialiste des astroparticules s’interroge : « Sa source est-elle la fusion de trous noirs, un phénomène transitoire, ou bien la signature directe d’un rayon cosmique qui interagit avec une relique du Big Bang ? »

Grâce à une future capture de super-neutrino, les astrophysiciens espèrent trouver des réponses à ces questions fondamentales, liées à la physique des particules et à l’astrophysique, comme la disparition de l’antimatière dans l’univers, ou l’origine des rayons cosmiques aux énergies colossales qui nous bombardent. Un pan de recherche passionnant.

Source : le point