En février 2023, le télescope sous-marin KM3NeT, ancré par trois kilomètres de fond au large de la Sicile, a enregistré une lueur. Un unique muon a traversé le détecteur, laissant une traînée d'énergie de 220 pétaélectronvolts. C'est comme si un moustique en plein vol avait percé un mur de béton. La source était un neutrino — une particule fantôme qui n'interagit presque pas avec la matière. Mais l'énergie de ce « fantôme » s'est avérée si énorme qu'elle a laissé les astrophysiciens perplexes.
D'habitude, les neutrinos de telles énergies naissent dans les trous noirs ou les explosions de supernova. Cependant, les calculs montrent que les « accélérateurs » cosmiques connus ne peuvent pas propulser une particule jusqu'à 220 PeV. Et s'ils le pouvaient, d'autres observatoires, comme IceCube, auraient déjà remarqué tout un flux de tels événements. Mais ce flux n'est pas visible. Les auteurs de l'étude proposent une autre explication : le neutrino ne viendrait pas d'une source astrophysique, mais de la désintégration d'une particule supermassive — une « relique » des premiers instants après le Big Bang. Cette particule, désignée X, a une masse d'environ 4,4 × 10⁸ GeV — 400 millions de fois plus lourde qu'un proton.
Le mécanisme est élégant : la particule X se désintègre en une paire neutrino-ant neutrino, et l'un d'eux parvient jusqu'à la Terre. Pour que cette désintégration ne perturbe pas les observations astronomiques du rayonnement gamma, la durée de vie de X doit être colossale — de l'ordre de 10²⁹ à 10³⁰ secondes. C'est des milliards de fois plus que l'âge de l'Univers. Si l'on comprimait l'âge de l'Univers en une seconde, X vivrait plus longtemps que cette seconde. Dans le modèle, la particule X apparaît comme un état lié de deux particules lourdes, semblable au positronium, mais mille milliards de fois plus lourd. Ses propriétés s'intègrent naturellement dans les schémas de grande unification — les théories qui unifient les interactions forte, faible et électromagnétique en une seule force à des énergies d'environ 10¹⁴ à 10¹⁶ GeV.
Cette approche explique non seulement le signal mystérieux, mais le relie aussi à la masse du neutrino. Selon que le neutrino est une particule de Dirac ou de Majorana (c'est-à-dire qu'elle coïncide ou non avec son antiparticule), le modèle prédit différents scénarios. Dans un cas, un type d'interaction est requis, dans l'autre, un autre, et cela peut être vérifié lors de futures expériences. Si l'hypothèse est correcte, nous avons touché pour la première fois à la physique d'échelles à jamais inaccessibles aux accélérateurs terrestres. Un seul neutrino, capturé dans l'épaisseur de l'eau, pourrait être la clé pour comprendre comment la matière est structurée au niveau le plus profond.
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2607.10760
The 220~PeV neutrino KM3-230213A, in tension with IceCube and Auger unless narrow, admits a two-body reading: relic decay $$X \to u\bar u$$ with $$m_X \approx 4.4\times10^{8}$$~GeV. Consistency with neutrino and $$\gamma$$-ray bounds sets $$\tau/f \approx 10^{29}$$--$$10^{30}$$~s, lifetime over relic fraction. For a flavored $$^1S_0$$ onium, the operator scale lands in the Majorana-mass range of unified models: one Higgs insertion gives a singlet mediator, $$M/|C_7|^{1/3} \approx 10^{14}$$--$$10^{16}$$~GeV across the allowed relic fraction; two give the seesaw window; Dirac or Majorana neutrinos select the branch. We give the construction and its decisive tests.
L'énergie de 220 PeV est à peu près égale à l'énergie cinétique d'un moustique en vol, mais chez le moustique, elle est répartie sur des billions d'atomes, alors qu'ici elle est concentrée dans une seule particule plus petite qu'un noyau atomique.
Dans le roman « Contact » de Carl Sagan, un signal surpuissant venu de l'espace se révèle être le plan d'une machine — ici, un neutrino isolé pourrait être le « plan » de la physique de la grande unification.