Sous les vagues de la Méditerranée, le télescope européen à neutrinos KM3NeT se lance dans une chasse cosmique. D’imposantes chaînes de capteurs s’étendent sur un kilomètre jusqu’au fond marin, disposées dans une vaste grille 3D.
Sa mission ? Pour capturer des particules subatomiques fantomatiques appelées neutrinos, des messagers capables de voyager sans entrave à travers l'univers, même à travers les planètes et les étoiles, transportant des indices sur des événements bien au-delà de notre système solaire.
Aux petites heures du 13 février 2023, KM3NeT a détecté quelque chose d’étonnant. Un éclair intense d'énergie pure a signalé le neutrino le plus énergétique jamais observé, 30 fois supérieur à tout enregistrement précédent. Depuis, les scientifiques tentent de déterminer d’où il vient.
Pourquoi chasser les neutrinos ?
Les neutrinos ont été théorisés pour la première fois dans les années 1930 et détectés des décennies plus tard. Elles comptent parmi les particules les plus abondantes de l’univers, mais aussi les plus insaisissables.
Chaque seconde, des milliards de neutrinos traversent notre corps sans laisser de trace. Ils n’ont aucune charge électrique et presque aucune masse – au moins un million de fois plus légers qu’un électron – et ils interagissent rarement avec la matière, ce qui les rend extrêmement difficiles à détecter.
C’est cette qualité fantomatique qui les rend si fascinants pour les physiciens.
« Les neutrinos sont les particules les plus intéressantes du moment », a déclaré Paschal Coyle du Centre national français de la recherche scientifique, qui coordonne un projet appelé KM3NeT-INFRADEV2 qui soutient le développement de l'infrastructure KM3NeT. « De nombreux mystères les entourent. Ce sont les particules fondamentales les moins comprises. »
Parce que les neutrinos peuvent traverser l’univers sans être absorbés, ils transportent des informations vierges provenant des environnements les plus extrêmes connus de la science : explosions d’étoiles, trous noirs et collisions cosmiques.
Leur étude pourrait révéler le fonctionnement de l’univers et même la raison pour laquelle la matière existe.
« Les neutrinos sont ce qui se rapproche le plus de rien que nous puissions imaginer, mais ils sont essentiels à la compréhension complète du fonctionnement de l'univers », a déclaré Coyle.
Chasseurs de fantômes
De temps en temps, un neutrino frappe un noyau atomique, créant une pluie de particules secondaires. Dans un matériau dense et transparent comme la glace ou l’eau, cette collision libère un léger éclair de lumière bleue appelé rayonnement Tchérenkov. Les capteurs de KM3NeT sont conçus pour capter ce signal.
Cette approche est partagée par d’autres observatoires de neutrinos, comme IceCube en Antarctique et Super-Kamiokande au Japon. IceCube scanne les glaces polaires profondes, tandis que KM3NeT scrute les eaux sombres de la mer Méditerranée.
KM3NeT est l'une des infrastructures de recherche phares d'Europe et l'un des projets de physique les plus ambitieux au monde. Soutenu par un consortium international avec un financement européen et national, il se compose de deux installations distinctes.
ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss), basé au large des côtes de Sicile, est conçu pour suivre les neutrinos de haute énergie provenant de l'espace lointain. ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss), près de Toulon en France, se concentre sur le comportement et la masse des neutrinos.
Chaque réseau est constitué de lignes verticales de sphères de verre de la taille d’un ballon de basket contenant des capteurs optiques ultra-sensibles. Ces lignes s’élèvent du fond marin comme des gratte-ciel sous-marins et s’étendent sur un kilomètre dans l’obscurité. Plus de 1 000 modules sont déjà en place, dont 6 000 prévus d’ici 2027.
« Cela semblait une idée folle de construire un détecteur au fond de la mer pour capturer ces particules très étranges », a déclaré Aart Heijboer, physicien principal à l'Institut national néerlandais de physique subatomique, qui a contribué à la conception du télescope. « Cela a attiré mon imagination. »
Toute cette ingénierie n’a qu’un seul objectif : apercevoir ces rares éclairs lorsqu’un neutrino se révèle enfin.
Un signal record
Le neutrino détecté en 2023, nommé KM3-230213A, a enregistré une charge énergétique de 220 pétaélectronvolts (PeV), un chiffre extraordinairement élevé pour une seule particule et presque inconcevable en physique des particules. « Nous ne nous attendions pas vraiment à un tel événement », a déclaré Coyle. « Nous avons dû refaire tout un tas de simulations. »
D'où vient-il ? Cela reste le grand mystère.
Les neutrinos sont produits par diverses sources, depuis les réactions nucléaires qui alimentent le soleil jusqu'aux explosions d'étoiles (supernovae) et à d'autres événements cosmiques de haute énergie. Une théorie propose que les neutrinos les plus énergétiques proviennent de blazars, des galaxies actives dont les trous noirs supermassifs projettent des jets d'énergie directement vers la Terre.
Une autre possibilité est que des rayons cosmiques de haute énergie, traversant l’univers, entrent en collision avec des photons de lumière pour générer des neutrinos. Si KM3-230213A était produit de cette manière, cela suggérerait que les neutrinos cosmogéniques sont plus courants que prévu.
« Ou nous avons simplement eu de la chance », admet Coyle. « Il se pourrait que KM3NeT ait réussi à repérer par hasard un neutrino rare à très haute énergie. »
Les chercheurs affinent les calculs pour retracer son origine exacte. « Dans les prochains mois, nous aurons une mesure beaucoup plus précise de sa direction », a déclaré Heijboer. « Si cela vient d'un blazar, c'est très excitant. Si c'est cosmogénique, c'est aussi excitant. »
Sonder la nature de la matière
Tandis qu'ARCA recherche la source des particules les plus puissantes de l'univers, ORCA se concentre sur la manière dont les neutrinos changent d'identité, ou oscillent, entre les trois différentes « saveurs » : électron, muon et tau, lorsqu'ils voyagent dans l'espace.
Ces oscillations pourraient révéler l’ordre des masses des neutrinos, une pièce manquante du modèle standard de physique, la théorie qui décrit les particules fondamentales de la matière. L’ordre des masses fait référence à la séquence des trois états de masse des neutrinos, du plus léger au plus lourd.
Pourquoi est-ce important ? Parce que comprendre les neutrinos pourrait expliquer pourquoi il y a quelque chose plutôt que rien.
Après le Big Bang, il y a 13,7 milliards d’années, matière et antimatière auraient dû s’entre-détruire, ne laissant que du vide. Pourtant la matière a survécu. Les neutrinos pourraient détenir la clé, surtout s’ils s’avèrent être leur propre antiparticule – une possibilité que les scientifiques sont impatients de tester.
« Toutes les expériences qui tentent de mesurer la différence entre un neutrino et un anti-neutrino sont confuses car elles ne savent pas quel est l'ordre des masses », a expliqué Coyle. « C'est un élément important pour comprendre pourquoi il y a plus de matière que d'antimatière. »
L'avantage de l'Europe en matière d'eaux profondes
En construisant KM3NeT, l’Europe s’est assuré un rôle de premier plan dans cet effort scientifique mondial.
Cet investissement porte déjà ses fruits, avec des détections comme KM3-230213A et d’autres découvertes attendues à mesure que le télescope se développe.
« Nous ne connaissons pas leur masse, nous ne connaissons pas leur ordre de masse, nous ne savons pas s'il s'agit de leur propre antiparticule », a déclaré Coyle. « Donc les neutrinos en sont là où ils en sont en ce moment. »
Avec des milliers de capteurs supplémentaires à déployer, KM3NeT renforce non seulement le rôle de l'Europe dans la recherche fondamentale, mais écoute également certains des signaux les plus faibles de la nature.
Chaque éclair de lumière au fond de la Méditerranée pourrait contenir un message sur la naissance de l'univers, ou même un indice sur la raison pour laquelle il existe quelque chose plutôt que rien.
