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Au fond de la montagne, là où l'épaisseur de la roche étouffe les muons des rayons cosmiques, se dresse un détecteur qui ne capte pas la lumière, mais son absence. Le positronium est un atome minuscule, où un électron et son antiparticule, le positron, tournent l'un autour de l'autre comme un couple de danseurs.

Au cœur de la montagne de Jinping, sous deux kilomètres de roche, un faisceau de protons frappe un nuage de gaz. Auparavant, une fine feuille métallique, comme une vitre, séparait l'accélérateur de la cible. Elle ralentissait les particules, brouillait leur énergie et empêchait d'observer les réactions nucléaires rares qui alimentent les étoiles.

Au-delà de l'orbite de Neptune s'étend un océan d'îles glacées qui n'a presque pas changé depuis quatre milliards d'années. Ces îles, appelées objets transneptuniens, conservent la recette de la naissance des planètes. Jusqu'à récemment, les astronomes ne voyaient que les plus grandes d'entre elles, tandis que les petites, de la taille d'une ville, restaient invisibles.

Un interprète arrive à une réunion où l'on parle une langue qu'il ne connaît pas. Au début, il doit écouter chaque mot, tout noter mot à mot, puis vérifier avec l'original.

Un neutron enfermé dans un noyau se comporte différemment qu'à l'état libre. Son nuage de gluons, qui maintient les quarks ensemble, se comprime comme un ressort sous charge. Auparavant, on ne pouvait que le supposer, mais désormais, les physiciens ont observé cet effet directement pour la première fois.

Les neutrinos sont des particules presque insaisissables qui traversent la Terre sans la remarquer. Mais parfois, l'un d'eux percute un noyau atomique de l'eau, et c'est alors toute une gerbe de particules qui naît : muons, protons, pions.

L'Univers nous envoie constamment des signaux, mais beaucoup sont trop faibles pour être perçus. Les neutrinos reliques, ces particules issues du Big Bang, traversent la Terre par milliards chaque seconde, mais en capturer ne serait-ce qu'un seul relève de l'exploit.

Mesurer les distances dans l'Univers n'est pas une mince affaire. Presque toutes les méthodes reposent sur la lumière, or celle-ci peut être absorbée par la poussière, diffusée ou déformée sur le chemin. C'est un peu comme essayer de distinguer un phare lointain à travers le brouillard et la brume. Les neutrinos, eux, sont tout autre chose.

Tout en haut des montagnes, là où l'air est pur et silencieux, des physiciens s'apprêtent à attraper des visiteurs insaisissables venus du cosmos : les neutrinos. Ces particules, telles des fantômes, traversent la Terre sans presque laisser de traces. Mais parfois, un neutrino percute un atome, engendrant une pluie de particules que l'on peut observer.

Les neutrinos solaires sont de minuscules particules nées dans les entrailles du Soleil par milliards de milliards chaque seconde. Ils traversent la Terre sans presque la remarquer et ont longtemps été considérés comme absolument stables. Mais peut-être peuvent-ils eux aussi « vieillir » — se désintégrer discrètement, disparaissant en chemin vers nous.

Une étoile massive épuise son carburant – et son cœur s'effondre en une fraction de seconde. Une supernova naît, accompagnée d'une pluie de neutrinos brève mais intense. Ces particules interagissent à peine avec la matière, elles s'échappent donc librement, emportant l'information sur la catastrophe.

Au sud de l'Inde, dans la ville de Madurai, un étrange « chasseur » de particules cosmiques a fonctionné de 2018 à 2022 : le prototype mini-ICAL, d'une masse de 85 tonnes. C'est une version réduite 600 fois du futur détecteur de neutrinos (ces particules fantômes insaisissables) qui sera construit profondément sous terre.

Une immense piscine de liquide transparent est cachée profondément sous terre. Il n'y a rien d'autre qu'un « bouillon » d'une pureté extrême qui émet une faible lueur lorsqu'une particule fantôme le traverse. C'est le détecteur JUNO, 20 000 tonnes de scintillateur liquide, construit pour chasser les neutrinos.

Dans les premières secondes après le Big Bang, l'Univers nous a laissé non seulement de la lumière, mais aussi quelque chose de bien plus insaisissable — le fond de neutrinos reliques. Cet écho de la création imprègne chaque centimètre cube, mais nous ne le remarquons presque pas.

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.

La cosmologie ressemble à un orchestre où les différents pupitres se mettent soudainement à jouer en désordre. Les mesures de la vitesse d'expansion de l'Univers (la constante de Hubble) dans l'Univers primordial et dans l'Univers tardif donnent des chiffres différents.

Lorsqu'une étoile massive épuise son carburant, son cœur s'effondre, donnant naissance à une supernova et émettant une pluie pénétrante de neutrinos.

La collision de deux étoiles à neutrons est un laboratoire cosmique où la matière est comprimée à des densités inimaginables. Dans les premiers instants après la fusion, un nuage brûlant se forme et se refroidit en émettant des neutrinos.

Une étoile massive ne s'éteint pas simplement — elle explose en supernova, laissant derrière elle un rémanent en expansion et une étoile à neutrons qui tourne furieusement — un pulsar.

Au cœur d'une étoile à neutrons — le vestige d'une étoile explosée — la matière est si comprimée qu'une cuillère à café pèse des milliards de tonnes. Parmi cette matière hyperdense, une variété particulière de force pourrait agir, une qui ne concerne que les neutrinos muoniques et tauiques.

Dans les profondeurs de l'océan, là où la lumière ne parvient pas, naît un plan pour capturer des particules qui n'interagissent presque avec rien. Les géoneutrinos, de minuscules messagers venus du manteau incandescent, sont émis lors de la désintégration de l'uranium et du thorium.

Chaque seconde, environ une centaine de particules invisibles traversent notre corps : les muons. Ils naissent haut dans le ciel, lorsque les rayons cosmiques percutent les atomes de l'air, et pleuvent sur la Terre.

Une vieille photographie, prise au moment de la naissance de l'Univers, nous transmet sa lumière depuis près de 14 milliards d'années. Ce cliché, c'est le fond diffus cosmologique, l'écho refroidi du Big Bang. On y voit les infimes irrégularités à partir desquelles les galaxies ont ensuite grandi.

En avril 2021, dans une galaxie située à 35 mégaparsecs, une supernova SN 2021foa a explosé. Elle a immédiatement intrigué les astronomes : son spectre passait frénétiquement des raies de l'hydrogène à celles de l'hélium — comme si l'étoile, à l'agonie, se débarrassait convulsivement de ses couches externes.

Quelque part dans le bulbe galactique, une étoile massive sommeille, prête à troquer sa combustion paisible contre un effondrement.

Au plus profond du sol au Japon se trouve un immense réservoir rempli d'eau ultrapure. Il attend de rares visiteurs : les neutrinos, arrivant des explosions d'étoiles lointaines. Ces visiteurs sont si rares qu'au fil des années d'observation, l'appareil Super-Kamiokande n'enregistre que quelques événements.

Deux faisceaux lumineux courent en sens inverse sur un anneau fermé. Comme la vitesse de la lumière est constante, lorsque l'anneau tourne, l'un des faisceaux doit rattraper une cible qui se déplace, tandis que l'autre va plus vite. Leur rencontre crée une figure qui permet de déterminer la vitesse de rotation de l'ensemble.

Une loupe concentre la lumière du soleil en un point brillant. Si le verre présente un défaut minuscule, la tache lumineuse se déforme. C'est à peu près ainsi que fonctionne la lentille gravitationnelle : une galaxie massive courbe les rayons lumineux d'une source plus lointaine, créant une image agrandie et parfois déformée.

Un immense réservoir d'eau ultrapure est caché profondément sous terre au Japon. Ses parois sont tapissées de milliers de lampes sensibles à la lumière qui capturent de faibles flashs — les traces de particules fantômes traversant la masse d'eau.

Une clôture invisible barre le détroit. On ne peut ni l'escalader ni plonger en dessous : elle n'est pas faite d'acier, mais d'un flux de particules qui traversent la colonne d'eau. C'est ainsi que l'on peut décrire l'idée de détecter les sous-marins nucléaires grâce à leur émission d'antineutrinos.

Un bassin d'eau pure dans lequel tombent de minuscules gouttes presque invisibles. Chacune laisse une ondulation à peine perceptible, et pour la capter, il faut des années de patience.

Un interprète qui, à mi-chemin de la salle, se met soudain à traduire à l'envers. C'est à peu près ce qui pourrait arriver à un neutrino — cette particule fantôme qui ignore presque la matière — si son chemin croise un nuage de matière noire ultralégère.

La lumière d'une étoile lointaine filtre à travers l'enveloppe gazeuse d'une planète, et les astronomes tentent de deviner de quoi cette enveloppe est faite. C'est ainsi que l'on étudie les atmosphères de mondes que l'on ne peut pas toucher.

La vitesse de la lumière dans le vide est le métronome de la physique : elle donne le rythme à tous les processus. Qu'elle déraille, et l'harmonie habituelle s'effondre. Pour vérifier si ce rythme ne se dérègle pas dans des conditions extrêmes, on peut compter sur les neutrinos — des particules omniprésentes mais presque insaisissables venues du cosmos.

Les neutrinos sont les particules massives les plus répandues dans l'Univers. Ils nous traversent par milliards chaque seconde, mais ne laissent presque aucune trace. Leur attraction collective, bien que minuscule, peut influencer le mouvement de galaxies entières.

Une casserole où mijote un potage à trois ingrédients. Le cuisinier ajuste les proportions en cours de route, et on suit cela grâce à la position d'un point sur une échelle triangulaire. C'est à peu près ainsi que les physiciens démêlent les neutrinos issus d'une explosion de supernova.

Un puissant projecteur éclaire un épais brouillard. On ne voit pas le faisceau lui-même, mais le brouillard se met à scintiller faiblement – et révèle la présence du projecteur.

Une immense sphère remplie de liquide s'illumine lorsqu'une particule insaisissable — un neutrino — la traverse. À l'intérieur, comme des lucioles sur un sapin de Noël, sont suspendus des milliers de tubes qui captent ces éclairs. Pour savoir précisément où la lumière a brillé et quelle énergie est arrivée, il faut connaître la position de chaque tube au millimètre près.

Au plus profond de la montagne japonaise d'Ikeno se trouve une cuve de cinquante mille tonnes d'eau ultrapure. On y capture des neutrinos — ces particules fantômes qui traversent la Terre de part en part sans presque la remarquer. Lorsqu'une étoile explose dans notre galaxie, les neutrinos arrivent les premiers, des heures avant la lumière.

Les neutrinos sont de minuscules particules qui traversent la planète comme la lumière traverse une vitre. Chaque seconde, des milliards de ces particules traversent l'ongle de votre petit doigt, mais en attraper ne serait-ce qu'une est un véritable défi.