Une boule de billard en heurte une autre dans l'obscurité totale. Le bruit de l'impact et le cliquetis des billes tombant dans les poches — voilà tout ce que l'on entend. C'est à peu près ainsi que les physiciens étudient les interactions des particules élémentaires à des énergies qu'aucun accélérateur terrestre ne peut reproduire. Dans une nouvelle étude, des astrophysiciens ont transformé des galaxies entières en laboratoires géants, et les détecteurs sont devenus des kilomètres cubes de glace antarctique et d'eau de la mer Méditerranée.
La grandeur clé ici est la section efficace d'interaction. C'est une mesure de la probabilité que deux particules, en se croisant, finissent par interagir. Plus la section efficace est grande, plus les collisions sont fréquentes. Dans les expériences terrestres, par exemple au Grand collisionneur de hadrons, cette grandeur est mesurée directement en faisant entrer en collision des faisceaux de particules. Mais lorsque les énergies dépassent les capacités du collisionneur, il faut trouver d'autres moyens. Les auteurs de l'étude ont proposé d'utiliser les neutrinos — des particules presque insaisissables qui naissent dans les recoins les plus violents de l'Univers et parviennent sans encombre jusqu'à la Terre.
L'idée de la méthode ressemble à une enquête policière. Chaque source de neutrinos — qu'il s'agisse du noyau actif d'une galaxie lointaine ou du centre de notre Voie lactée — a une puissance connue : la quantité de rayons cosmiques qu'elle émet. On peut aussi estimer la densité de la matière cible avec laquelle ces rayons entrent en collision. Connaissant ces données et mesurant combien de neutrinos sont parvenus au détecteur, on peut calculer l'efficacité des collisions. La seule inconnue de l'équation reste la section efficace d'interaction.
Les scientifiques ont appliqué leur méthode à des données réelles : au célèbre blazar TXS 0506+056, qui en 2017 a été pour la première fois associé à un signal de neutrinos, à la galaxie active NGC 1068, au rayonnement provenant du plan de notre Galaxie, et même à un événement récent de très haute énergie enregistré par le détecteur KM3NeT en mer Méditerranée. En conséquence, ils ont pu imposer des limites sur les sections efficaces dans une gamme d'énergies extrêmement large — de 1 GeV, modeste, à 100 000 GeV, colossal. Pour comparaison, le Grand collisionneur de hadrons n'atteint que 13 000 GeV. Ainsi, les neutrinos cosmiques deviennent un outil pour tester les théories là où la technologie terrestre est encore impuissante. Et tout comme le bruit de l'impact dans l'obscurité révèle la collision des billes, ces visiteurs invisibles venus de l'espace nous parlent des forces qui régissent la matière aux limites du possible.
Le détecteur IceCube, au pôle Sud, recherche les neutrinos à l'aide de 5160 capteurs de lumière gelés dans la glace antarctique jusqu'à une profondeur de 2,5 kilomètres.
Dans le roman de Stanislas Lem « La Voix du Maître », des scientifiques tentent de déchiffrer un signal de neutrinos venant de l'espace, qui s'avère être un message d'une autre civilisation.