KATRIN

Imaginez une pièce où des centaines de personnes parlent en même temps, et vous, vous essayez d'entendre une épingle tomber. C'est exactement ainsi que les physiciens de la collaboration PandaX-4T ont écouté le silence à l'intérieur de 3,7 tonnes de xénon liquide.

Une sphère d'aluminium, du diamètre d'un gros globe, se trouve dans le faisceau de neutrons et répond à chaque impact par une note précise. À l'intérieur de la sphère, il n'y a rien d'autre que de l'azote et onze minuscules billes d'acier, chacune de la taille d'une tête d'épingle.

Dans la glace antarctique se cache un détecteur de la taille d'un kilomètre cube. Il ne capte pas la lumière, mais des particules fantômes : les neutrinos. Pourtant, il pourrait parfois y apparaître une tout autre bête : une paire de muons nés ensemble et s'éparpillant en un large éventail.

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.

En 1998, les physiciens ont surpris les neutrinos en flagrant délit : la particule change de type en plein vol. Cela n'est possible que si elle a une masse. C'est devenu la seule preuve en laboratoire d'une physique au-delà du modèle standard. Mais combien pèse exactement un neutrino ? C'est toujours une énigme.

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.

Un électron qui traverse un noyau lourd se comporte comme une balle de tennis lancée à travers une palissade. Si les barreaux de la clôture sont espacés de manière irrégulière — tantôt serrés, tantôt espacés — la balle dévie différemment.

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.

Le Soleil est un réacteur nucléaire géant qui nous envoie sans cesse lumière et chaleur. Mais il possède aussi une autre messagerie, presque silencieuse : chaque seconde, des dizaines de milliards de neutrinos traversent un centimètre carré de votre paume — des particules fantômes nées dans la fournaise thermonucléaire.

Le Soleil n'est pas seulement une source de lumière, c'est un laboratoire géant où naissent des particules fantômes. Chaque seconde, des milliards de neutrinos traversent votre corps sans presque le remarquer. Mais à l'intérieur du Soleil, ces particules se comportent différemment : elles changent de type en plein vol, comme un acteur qui joue trois rôles dans la même pièce.

Si l'on comprime un morceau de métal ordinaire, il chauffe — même ceux qui ont gonflé une roue de vélo le savent. Mais que se passe-t-il si l'on comprime un aimant dont les flèches atomiques refusent de se figer même au zéro absolu ?

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'Univers était une soupe bouillonnante de particules élémentaires. Même les neutrinos légers entraient alors en collision avec tout ce qui se présentait.

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.

Une goutte d'eau dans un champ électrique intense s'allonge. Le noyau de deutérium — une paire liée de proton et de neutron — se comporte de la même manière, sauf que le champ est ici créé par un photon gamma qui passe, et au lieu de s'étirer, le noyau peut tout simplement se briser.

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 lumière polarisée circulairement tombe sur un proton. La particule peut absorber le photon ou le repousser, selon l'orientation de son propre spin, cette petite toupie interne.

Une balance avec des poids identiques, mais un plateau qui penche toujours. Dans le monde des particules élémentaires, ce déséquilibre s'appelle la violation de la symétrie CP : les particules et leurs jumeaux miroirs (les antiparticules) se comportent très légèrement différemment.

Lors de la collision de noyaux lourds dans les accélérateurs, de nombreuses particules sont produites, et les physiciens veulent comprendre comment la charge électrique se déplace dans ce chaos. Deux trains entrent en collision : les passagers (les quarks) sont éjectés, mais leurs bagages (la charge) peuvent se retrouver loin du lieu de l'accident.

Dans le sous-sol d'un laboratoire à Jyväskylä, un piège maintient un atome unique en suspension, comme un prestidigitateur tient une balle au bout de son doigt. L'atome d'étain-113 est instable : tôt ou tard, il capture l'un de ses électrons et se transforme en indium-113, émettant une particule insaisissable, le neutrino.

Sous nos pieds, dans l'épaisseur de la planète, se déroule une lente désintégration d'éléments radioactifs. Elle engendre de minuscules particules : les géoneutrinos. Elles traversent la croûte terrestre, le manteau et le noyau sans presque interagir avec la matière.

Une boîte quantique est un piège à électrons de la taille de quelques atomes, où la particule se comporte comme une bille dans une boîte minuscule. Si l'on place deux de ces boîtes côte à côte, les électrons peuvent sauter de l'une à l'autre, et le système devient semblable à une paire de vases communicants.

Le tritium radioactif se désintègre et émet un électron. Son énergie est presque toujours la même, mais parfois elle est un tout petit peu plus faible. Ce « manque à gagner » pourrait signifier qu'une autre particule cachée est née en même temps que le neutrino ordinaire.

Le kaon est une particule de longue durée de vie à l'échelle du microcosme : il vit des milliardièmes de seconde avant de se désintégrer en particules plus légères. Dans l'expérience KOTO au Japon, on capture les variantes les plus rares de cette désintégration.

Une minuscule particule fantôme traverse un morceau de germanium. En général, elle ne laisse aucune trace, mais parfois, telle une boule de billard, elle heurte le noyau d'un atome. Le noyau recule, et cette impulsion peut être détectée. À Oak Ridge, au laboratoire national, le détecteur Ge-Mini a capté de tels reculs pendant deux ans.

Les neutrinos sont de minuscules particules qui traversent la Terre sans presque la remarquer. Dans l'expérience MicroBooNE, on les capture dans une cuve d'argon liquide.

Une collision à très grande vitesse a arraché un neutron du noyau d'hélium-8, et pendant un instant, un noyau d'hélium-7 est apparu — comme une étagère surchargée d'où trois livres tombent d'un coup.

Titan, la plus grande lune de Saturne, est enveloppé d'une épaisse brume orangée. Elle est composée d'hydrocarbures et d'autres molécules organiques qui naissent lorsque la lumière solaire décompose le méthane et l'azote dans les couches supérieures de l'atmosphère.

Les neutrinos sont des particules fantômes. Ils traversent la Terre sans presque la remarquer. Pour en capturer ne serait-ce qu'un, on construit d'énormes détecteurs. Dans l'expérience NOvA, un tel détecteur est situé dans le Minnesota.

Dans l'épaisseur de la glace antarctique, à des profondeurs où la lumière du soleil ne parvient jamais, des antennes sont suspendues. Elles n'écoutent pas des sons, mais des ondes radio – et attendent le signal d'une particule presque impossible à attraper.

Dans la salle souterraine du Fermilab se dresse une immense cuve remplie d'argon liquide, un liquide transparent à la température de moins 186 degrés.

L'antiproton est le jumeau miroir du proton : même masse, mais charge négative. Lorsqu'il s'approche du noyau d'un atome, les particules peuvent s'annihiler, se transformant en rayonnement.

Dans les années trente, Wolfgang Pauli comprit que sans de minuscules particules fantômes, l'énergie des étoiles ne quadrait pas. Ainsi naquirent les neutrinos — d'insaisissables vagabonds qui traversent tout.

Dans un immense spectromètre à Karlsruhe, semblable à un gigantesque fût métallique, on capture des particules quasi impossibles à attraper. Les neutrinos sont les fantômes du monde microscopique : chaque seconde, des trillions de ces particules traversent votre corps sans que vous vous en aperceviez. Mais ils ont une masse, et les scientifiques veulent la mesurer.

L'électron s'échappe du noyau de tritium avec une énergie de 18,57 keV, laissant derrière lui un partenaire invisible : le neutrino. Si ce neutrino a accès à la cinquième dimension, sa masse se décompose en une tour entière d'états, et chacun d'eux prélève sa part du spectre.

Très haut au-dessus de la Terre, un satellite évolue, et à son bord se trouve un instrument de la taille d'une petite armoire. Il capture des particules qui ont traversé la galaxie pendant des milliards d'années avant de venir percuter le détecteur.

Le ballon ATIC s'est élevé au-dessus de l'Antarctique et a capté des particules plus anciennes que la Terre elle-même. Parmi elles, des noyaux atomiques du soufre au chrome, et plus leur énergie est élevée, plus leur proportion par rapport au fer augmente.

Au-dessus de l'Antarctique, un ballon-sonde a hissé un instrument qui captait les électrons venus de l'espace. Ces particules proviennent d'explosions d'étoiles lointaines et d'autres événements puissants. L'instrument mesurait leur énergie, comme la force d'un impact. Et voilà que dans une certaine gamme d'énergies, il y a eu plus d'impacts que ce que les calculs prévoyaient.