Naissance, vie et mort des étoiles
Fascinants neutrinos cosmiques




Casse-tête physique passionnant, les neutrinos sont aussi des particules fantômes émises en grand nombre par le Soleil et par les explosions de supernovae. Elles ouvrent une fenêtre sur l’Univers violent et seront détectées au cœur de l’observatoire sous-marin Antarès.

Messagers insaisissables
Ce sont les plus fugaces et les plus évanescentes des particules... Chaque seconde, de 10 à 100 mille milliards d’entre-elles traversent notre corps, et la Terre. Mais, elles nous laissent indemnes et nous n’en percevons (presque) rien. Les neutrinos ont la propriété très particulière d’interagir très peu avec la matière. Le big bang les a émis en quantités. Les étoiles, dont notre Soleil, ainsi que les explosions de supernovae en dispensent dans la Galaxie. Cependant, ces "petits neutres" baptisés par l’Italien Enrico Fermi (1901 - 1954) renferment aussi une entêtante part de mystère. Ils excitent la curiosité des scientifiques depuis 75 ans. Et ils promettent de devenir une nouvelle sorte de messagers célestes qui aideraient à mieux comprendre les phénomènes violents de l’Univers et les trous noirs.

Mystère de la physique et du Soleil
Paradoxe : ces "fantômes" ou "anges de la matière" comptent également parmi les plus nombreuses particules présentes dans le cosmos. L’espace autour de nous en recèlerait quelque 300 par centimètre-cube… Pour l’essentiel, il s’agit de reliques issues des débuts chauds et animés du big bang. Mais leur première détection vient d’ailleurs, d’un tout autre phénomène, et elle a suscité un mémorable débat historique. En 1930, le Suisse Wolfgang Pauli (1900 - 1958), futur Nobel 1945, postule leur existence a priori. En 1933, Enrico Fermi confirme et leur donne leur nom. Les neutrinos interviennent dans une certaine forme de radioactivité (bêta). Ils signent l’action de la force nucléaire faible. Cependant, il faudra attendre 1956 pour que les Américains Clyde Cowan (1919 - 1974) et Frederick Reines (1918 - 1998), Nobel 1995, les détectent effectivement auprès du réacteur de Savannah River, en Caroline du Sud. Le neutrino existe bel et bien. De 1969 à 1993, Raymond Davis, Nobel 2002, entreprend d’enregistrer le passage de ceux émis par les réactions de fusion à l’œuvre au cœur de notre brillant Soleil. Il utilise une expérience enfouie dans la mine d’or d’Homestake, Dakota du Sud. Surprise : un tiers, 30 %, des voyageurs attendus manquent à l’appel. Erreur dans les calculs de prévision du nombre de neutrinos solaires ? Connaîtrait-on mal la température au centre de notre étoile ? Mauvaise interprétation des données ? Ou bien, plus prosaïquement, difficulté pratique de l’expérience ? Toujours est-il que ce résultat controversé provoque une longue discussion entre astronomes et physiciens. L’explication est, finalement, tombée au tournant du siècle : après que de nombreuses autres expériences ont fleuri dans le monde… et confirmé l’étonnant déficit. Baksan dans le Caucase soviétique, le Gran Sasso sous les Abruzzes italiennes (où était implantée l’expérience à participation française Gallex, Gallium Experiment), Kamioka au Japon et Sudbury dans l’Ontario, Canada, ont toutes corroboré l’observation. Le problème posé par les "neutrinos manquants" demeure très sérieux. Mais la solution ne vient pas d’une mauvaise compréhension de l’astre du jour. Non. Au contraire, ce sont ces drôlesses de particules qui, une fois de plus, jouent un mauvais tour à leurs aficionados. En fait, les neutrinos adoptent un comportement bien étrange : en se propageant, ils "oscillent" en permanence entre trois états distincts dont un seul était accessible aux premières générations de détecteurs sur Terre. Après avoir quitté le Soleil, durant leur périple dans l’espace, les particules en proie à cette "crise d’identité" changent de "personnalité" et deviennent en partie… indécelables.

L’explosion de supernova de 1987
Le 23 février 1987, d’autres neutrinos ­ d’un nouveau type et un peu plus énergétiques - ont fait une entrée fracassante sur la scène internationale. La supernova SN 1987A resplendissait dans le ciel austral. Elle signalait qu’une étoile massive avait éclaté à 170 000 années-lumière de distance : dans le Grand nuage de Magellan, une galaxie satellite de la nôtre. L’événement était visible à l’œil nu. Et il donne lieu à la première détection de neutrinos cosmiques. Au total, 12 particules - venant de beaucoup plus loin que notre Soleil voisin - ont été capturées à Kamioka, Japon, ainsi que 8 autres à Cleveland, Ohio. Cette détection ouvre une nouvelle ère de l’observation astronomique. Un pan d’Univers, jusqu’alors inaccessible, promet de se dévoiler. En quelque secondes, l’étoile défunte a libéré 1057 - mille milliards de milliards de milliards de milliards de milliards de milliards - de fugitifs corpuscules. Ce gigantesque flux emporte l’essentiel de l’énergie. Il signe aussi la condensation d’une étoile à neutrons. Un phénomène violent. Depuis, on s’est aperçu que la particule était plus intéressante encore. Certes, elle ne constitue qu’une maigre partie de la matière noire traquée par les astrophysiciens. Cependant, elle possède de bizarres propriétés de symétrie fondamentales qui remonteraient à l’époque de grande unification des forces de la nature. Affaire à suivre… Mais au laboratoire comme dans le cosmos, les neutrinos s’avèrent de très instructifs messagers.

Dans les 900 yeux d’Antarès
Les neutrinos de l’Univers ont, désormais, le vent en poupe. Ils sont reconnus comme des sources d’information potentielle à propos d’astres violents et éloignés. C’est si vrai que : la France, l’Allemagne, les Pays-Bas, l’Italie, l’Espagne, le Royaume-Uni et la Russie ont décidé de s’engager dans une coopération qui aboutira à la construction d’un observatoire géant au fond… de la mer méditerranée. Coût : 18 millions d’euros et, peut-être, 150 millions d’euros de plus pour la seconde tranche du programme prévu sur la période 2010-2020. Antarès, Astronomy with Neutrino Telescope and Abyss environmental Research, est installé par 2 400 mètres de profondeur au large de l’île de Porquerolles. L’installation comporte 12 lignes instrumentées et 900 capteurs lumineux déployés sur 10 hectares. Le principe ? Lorsqu’un neutrino pénètre à vive allure dans l’eau, l’une des rares collisions produite avec un atome du milieu génère un flash bleuté. Un calculateur détermine alors sa direction de provenance. On s’intéresse ici à des particules de très haute énergie, au delà de 10 milliards d’électronvolts. Autrement dit, les émissaires hypothétiques de microquasars, explosions d’hypernovae, sursauts gamma, ou autres trous noirs géants qui jouent le rôle de puissants accélérateurs magnétiques ou gravitationnels au cœur des galaxies. Le défi est immense. Mais on aura peut-être la chance de débusquer la présence de neutrinos ambiants très virulents qui signaleraient la désintégration de particules massives de matière noire ou encore de défauts exotiques (topologiques) de l’Univers. Il faudra attendre la fin de la décennie pour que l’observatoire couvre 1 kilomètre-carré de surface et englobe 1 kilomètre-cube de mer !



Pour en savoir plus :

Incroyable performance du détecteur EPIC qui a permis d'observer une minuscule tache chaude sur l'étoile Geminga
Communiqué de presse CNRS du 15 juillet 2004

Première observation de matière éjectée par le pulsar Geminga
Communiqué de presse CNRS du 5 septembre 2003