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Grâce aux données de l'observatoire de neutrinos IceCube, des scientifiques ont pour la première fois mesuré la distribution de densité, la masse et le moment d'inertie de la Terre en utilisant l'atténuation du flux de neutrinos de haute énergie traversant la planète.
Depuis près d'un siècle, la sismologie reste le principal « rayon X » de la planète, sondant les profondeurs par le biais des ondes élastiques. Mais les neutrinos — ces particules fantômes prédites par Wolfgang Pauli — offrent un autre regard. Tout comme les astronomes étudient les atmosphères de mondes lointains en observant comment la lumière des étoiles est filtrée à travers elles lors d'un transit, l'observatoire de neutrinos IceCube, au pôle Sud, a transformé la Terre en une exoplanète à part entière. Les flux de neutrinos de haute énergie, nés dans les noyaux actifs de galaxies et aux abords de trous noirs, éclairent la planète de part en part — et c'est en atténuant ce flux que se révèle la structure cachée du noyau, du manteau et de la croûte.
Pour détecter un seul neutrino, il faudrait un mur de plomb d'une année-lumière d'épaisseur. Pourtant, la Terre est capable d'atténuer le flux de neutrinos de 100 TeV de près de 50 % s'ils traversent le noyau.
Le télescope IceCube observe la lumière de Tcherenkov — ces éclairs bleus qui se produisent dans la glace lorsque des muons chargés se déplacent plus vite que la lumière dans ce milieu. Sur 10,7 ans d'analyse, parmi 368 071 traces, les neutrinos d'énergies comprises entre 500 GeV et 100 TeV ont été sélectionnés. L'astuce principale réside dans la dépendance de la section efficace avec l'énergie : elle croît selon une loi de puissance, décrite par une formule issue du modèle standard. Ainsi, des neutrinos de différentes énergies « voient » des profondeurs différentes — une véritable spectroscopie des couches terrestres. Les chercheurs ont paramétré la Terre comme un ensemble de coquilles concentriques de densité constante et, grâce à une analyse bayésienne, ont reconstruit le profil radial de densité.
Le résultat de ce travail n'est pas une simple courbe, mais un portrait de la planète dessiné par l'interaction faible. Le profil, avec une précision de l'ordre de quelques dizaines de pour cent, correspond au modèle sismique de référence PREM. À partir de là, ils ont pour la première fois calculé la masse de la Terre (7,25×$10^{24}$ kg) et son moment d'inertie polaire (1,05×$10^{38}$ kg·m²) séparément — et les deux valeurs se situent dans l'intervalle de confiance des mesures classiques. Cela signifie que la section efficace neutrino-nucléon, calibrée sur les accélérateurs, est cohérente à l'échelle planétaire — la physique fondamentale et la géologie ont joué en duo.
À une énergie de 1 TeV, un neutrino ne « ressent » que quelques pour cent de la masse de la Terre sur son trajet, alors qu'à 100 TeV, il ressent presque toute l'épaisseur. Comme si la planète devenait progressivement opaque pour les particules fantômes.
La tomographie neutrino n'est pas seulement une vérification élégante des modèles géophysiques. Elle ouvre la voie à une planétologie indépendante des sismomètres et des gravimètres orbitaux. À l'avenir, lorsque la statistique d'IceCube-Gen2 et du KM3NeT méditerranéen aura augmenté, on pourra plonger au cœur de Mars pour enquêter sur la raison pour laquelle sa dynamo magnétique s'est tue, ou sonder les noyaux des géantes gazeuses. En attendant, la méthode exige une connaissance toujours plus précise des flux de neutrinos astrophysiques provenant des supernovae, des étoiles à neutrons et des pulsars, ainsi qu'une meilleure compréhension des effets nucléaires dans les sections efficaces — les données de l'Antarctique continuent d'affluer, et chaque année apporte une nouvelle transparence.
Pour détecter un seul neutrino, il faudrait un mur de plomb d'une année-lumière d'épaisseur ; pourtant, la Terre peut atténuer le flux de neutrinos de 100 TeV de près de moitié s'ils traversent le noyau.
