Bienvenue dans une nouvelle astronomie : comment marchent les détecteurs géants de neutrinos, et ce qui vient après le Nobel

Source: The Conversation – in French – By Pierre-Alexandre Duverne, Postdoctorant en astronomie, Université Paris Cité

Au pôle Sud, l’observatoire neutrino IceCube regarde sous la glace pour comprendre le cosmos. Benjamin Eberhardt/IceCube/NSF, CC BY-NC-SA

L’ESSENTIEL

Le 6 octobre dernier, la fondation Nobel a récompensé Francis Halzen pour ses contributions à la création de l’observatoire IceCube, en Antarctique, et à la découverte des neutrinos de haute énergie d’origine astrophysique.
Certaines de ces particules ont des énergies considérablement plus grandes que celles produites dans les accélérateurs de particules les plus puissants. Grâce à IceCube, nous avons une fenêtre pour comprendre où et comment elles sont produites.
L’astronomie neutrino ne s’arrête pas là, avec des détecteurs en cours de construction dans la Méditerranée et en Chine et la possibilité de croiser les observations avec celles d’autres champs de l’astronomie, comme les ondes gravitationnelles.

Les neutrinos sont des particules élémentaires qui ont la particularité de ne presque jamais interagir avec la matière. Leur existence a été prédite dans les années 1930 par Wolfgang Pauli, et ils ont été observés en 1956 par Frederick Reines et Clyde Cowan en étudiant un réacteur nucléaire.

Mais alors, si les neutrinos sont des particules connues et observées, que récompense donc le prix Nobel de physique de 2026 ?

On connaît à ce jour différentes sources produisant en grand nombre des neutrinos. Certains, les « neutrinos solaires », sont émis par le Soleil lors des réactions de fusion en son cœur. Les « neutrinos atmosphériques » sont, quant à eux, émis lorsque des rayons cosmiques interagissent avec les molécules de la haute atmosphère de la Terre – des interactions similaires à celles qui produisent les aurores boréales. Enfin, les « neutrinos d’origine astrophysique », qui sont émis lors de différents phénomènes violents et très énergétiques dans l’Univers.

Ce sont ces derniers, les neutrinos astrophysiques, qui ont valu le prix Nobel à Francis Halzen après qu’ils ont été détectés en 2013 avec l’observatoire IceCube.

Comment IceCube détecte les neutrinos

Francis Halzen a été récompensé pour avoir imaginé dans les années 1980 ce qui deviendrait le détecteur IceCube, dans le but d’observer les neutrinos de haute énergie d’origine astrophysique.

La construction d’IceCube au pôle Sud a débuté en 2005 et s’est terminée à la fin de l’année 2010.

Le détecteur est constitué de 86 lignes verticales qui plongent dans les profondeurs de la glace antarctique : sa base est située à 2 450 mètres de profondeur et IceCube occupe un volume de près d’un kilomètre cube de glace.

Cette taille colossale est nécessaire pour pouvoir détecter les neutrinos de haute énergie. En effet, les neutrinos interagissent si peu que la plupart peuvent traverser la Terre entière comme si elle était transparente. Le volume énorme du détecteur permet ainsi d’augmenter les chances qu’un neutrino interagisse avec la glace, et donc la probabilité d’en détecter.

En fait, IceCube n’observe pas directement un neutrino, mais le produit de son interaction avec les molécules de la glace, le plus souvent une autre particule appelée « muon ». Les muons produits par les neutrinos sont tellement énergétiques qu’ils produisent une lumière bleutée caractéristique : le rayonnement Tcherenkov. C’est le même phénomène qui est observé dans les piscines de stockage du combustible nucléaire dans les centrales.

C’est ce rayonnement Tcherenkov que détectent les capteurs suspendus aux lignes verticales d’IceCube.

schéma — Schéma du détecteur IceCube dans sa forme actuelle. Chaque ligne est mise sous la glace polaire à une profondeur d’environ 2 km et reliée au laboratoire de surface.
The IceCube Neutrino Observatory : Instrumentation and Online Systems, IceCube collaboration, 2016, CC BY-NC-SA

Ce que les observations d’IceCube ont démontré

La construction de cet observatoire géant a été motivée par plusieurs objectifs scientifiques. L’objectif principal était l’étude des rayons cosmiques de haute énergie et les mécanismes permettant de les produire, qui restent encore mal connus. Les rayons cosmiques sont des particules sillonnant l’Univers à une vitesse proche de celle de la lumière. Certaines de ces particules ont des énergies considérablement plus grandes que celles produites dans les accélérateurs de particules les plus puissants… mais nous n’avons pas encore pu trouver où et comment elles sont produites.

Le premier résultat d’importance a été obtenu par les équipes d’IceCube en 2013. En se basant sur les deux premières années de fonctionnement de l’observatoire, 28 neutrinos cosmiques ont été identifiés parmi les données. Les sources les ayant produits n’ont pas pu être identifiées.

Mais même sans cela, ces 28 observations ont constitué l’une des premières preuves de l’existence de ces neutrinos d’origine cosmique. Cela a marqué une étape importante dans l’étude de l’astrophysique des particules, ou astroparticules, et a ouvert une nouvelle fenêtre sur l’Univers : « l’astronomie neutrino ». C’est ce qui a été récompensé le 6 octobre dernier : l’astronomie neutrino est actuellement l’un des domaines de recherche des astroparticules les plus actifs et féconds.

Une autre observation faite par IceCube un peu plus tard a commencé à démêler les sources de ces neutrinos cosmiques. En effet, en 2017, IceCube a détecté un neutrino dont la direction d’arrivée est compatible avec un blazar, un type de noyau de galaxie très particulier puisqu’il émet un jet de matière collimaté. Ce jet accélère de nombreuses particules chargées qui, en interagissant avec le milieu intergalactique, produisent des neutrinos qui ont finalement été observés par IceCube. De plus, TXS 0506+056 est une source connue depuis longtemps dans le domaine électromagnétique faisant de cette observation conjointe entre des rayons électromagnétiques et des des neutrinos une découverte majeure et constitue un exemple d’observation dite multimessagers.

Représentation d’artiste d’un blazar et de son jet émettant de nombreuses particules, dont des neutrinos qui peuvent être détectés ensuite sur Terre avec IceCube.
IceCube/NASA, CC BY-NC-SA

Représentation du neutrino émis par TXS 0506+056 détecté en 2017. Le muon créé par le neutrino est arrivé par la gauche, là où les modules sont en vert, en direction des modules en rouge.
IceCube Collaboration, CC BY-NC-SA

Le paysage actuel et futur de l’astronomie neutrino

De nombreuses thématiques de recherche sont touchées par les possibilités offertes par cet observatoire, telles que la recherche indirecte de la matière noire ou des neutrinos associés à des sursauts gamma, ces jets de matière émis lors de la mort d’étoiles massives ou lorsque les restes de deux étoiles fusionnent.

Depuis le début des années 2020, le paysage de l’astronomie neutrino est aussi occupé par un nouveau détecteur en cours de construction, KM3NeT.

Contrairement à IceCube, KM3NeT est plongé dans les eaux de la Méditerranée, à 2 500 mètres de profondeur. Il y a un an, KM3NeT a annoncé, dans le journal Nature, l’observation du neutrino le plus énergétique jamais observé. Cette découverte majeure a suscité autant d’enthousiasme que de questions, en particulier sur la source capable de produire des particules d’une telle énergie.

Dans les prochaines années, le champ de l’astronomie neutrino va continuer à s’étendre et se développer. D’une part, IceCube va être agrandi par l’ajout de nouvelles lignes dans le détecteur pour atteindre un volume de près de 8 kilomètres cubes augmentant ainsi à la fois sa sensibilité et le taux de détections de neutrinos.

Pour KM3NeT, le déploiement va se poursuivre jusqu’en 2030 pour atteindre sa configuration finale et sa sensibilité nominale. Cela permettra à KM3NeT d’étudier à la fois les propriétés de neutrinos et de poursuivre l’étude de l’Univers.

D’autre part, d’autres détecteurs sont aussi en projet, notamment en Chine, avec les observatoires TRIDENT, NEON et HUNT. Là aussi, leur énorme volume permettra de nouvelles découvertes.

Par ailleurs, une autre perspective que l’on peut entrevoir avec IceCube et KM3NeT dans les prochaines années pourrait se trouver dans l’astronomie multimessagers, en combinant les données neutrinos avec celles d’autres instruments, comme pour TXS 0506+056 en 2016. On peut penser ici en particulier aux interféromètres LIGO et Virgo qui observent les ondes gravitationnelles et dont une observation conjointe avec IceCube et KM3NeT amènerait aussi à une moisson de résultats fondamentaux pour l’étude de l’Univers.

Avec ces détecteurs de plus en plus sensibles, l’astronomie neutrino a encore de l’avenir devant elle et promet de nouvelles découvertes fascinantes, construites sur les fondations établies par Francis Halzen durant les dernières décennies.

Je suis membre des collaborations KM3NeT et LIGO-Virgo-KAGRA.

– ref. Bienvenue dans une nouvelle astronomie : comment marchent les détecteurs géants de neutrinos, et ce qui vient après le Nobel – https://theconversation.com/bienvenue-dans-une-nouvelle-astronomie-comment-marchent-les-detecteurs-geants-de-neutrinos-et-ce-qui-vient-apres-le-nobel-294316