neutrino

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.

Dans un laboratoire souterrain du Dakota du Sud se trouve une cuve remplie de xénon liquide. Elle capte des événements rares : des particules traversent la Terre, frappent des noyaux de xénon, et ceux-ci rebondissent comme des boules de billard après un choc.

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.

Le ciel nocturne en lumière neutrino ressemble à une toile sur laquelle travaillent deux mains. L'une tient un pinceau large et doux : ce sont les restes de supernova, les enveloppes laissées par les explosions d'étoiles. L'autre serre une plume fine et dure : les microquasars, des systèmes binaires où un trou noir enroule la matière en jets étroits.

Le neutron est une particule qui se trouve généralement dans le noyau atomique et ne disparaît jamais. Mais certaines théories suggèrent qu'il pourrait parfois se transformer en son double invisible — une particule impossible à détecter avec les détecteurs ordinaires.

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.

Les neutrinos sont de minuscules particules qui, chaque seconde, traversent nos corps par milliards sans toucher un seul atome. Ils possèdent une propriété mystérieuse : en chemin depuis le Soleil ou un accélérateur, ils peuvent changer de type, ou de « saveur » — par exemple, passer de neutrino électronique à neutrino muonique.

Le sel de cuisine reste bien tranquille, mais à l'intérieur, les atomes de rubidium-87 se transforment de temps en temps en strontium et éjectent un électron. Ce processus — la désintégration bêta — est généralement étudié en plaçant un échantillon radioactif à côté d'un détecteur.

À la décharge en périphérie de la ville, le vent change de direction, et quelques heures plus tard, le village voisin sent les œufs pourris. C'est l'odeur du sulfure d'hydrogène, un gaz produit par la décomposition des déchets et dangereux pour la santé à forte dose. En général, les autorités ne sont alertées que lorsque les habitants ont déjà respiré et appelé pour se plaindre.

Un flux invisible de particules traverse le corps humain à chaque seconde. Ce sont les neutrinos — de minuscules messagers venus d'étoiles lointaines et de réacteurs terrestres. Les attraper est presque impossible : ils traversent la matière comme une balle traverse le brouillard. Mais les physiciens ont appris à leur tendre des embuscades.

Le ciel nocturne semble paisible, mais en réalité, des particules invisibles — les rayons cosmiques — nous traversent en permanence. Parmi elles, on trouve des électrons et leurs antiparticules, les positrons.

Dans le nuage froid du Taureau, où naissent les étoiles, les télescopes ont repéré des molécules à l'odeur d'amande amère : les nitriles aromatiques. Sur Terre, on les trouve dans les noyaux de pêches, mais dans l'espace, ils flottent dans la poussière glacée. Que leur arrive-t-il sous les ultraviolets intenses des jeunes étoiles ?

Une naine blanche est l'ancien noyau d'une étoile comme le Soleil, comprimé à la taille de la Terre. Une cuillère à café de sa matière pèserait plusieurs tonnes. Une étoile à neutrons est un résidu encore plus dense : une ville de la taille de Manhattan, mais avec une masse supérieure à celle du Soleil.

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.

Un « pied à coulisse » cosmique va bientôt mesurer une étoile à neutrons avec une précision d'une centaine de mètres. Pour un objet d'une vingtaine de kilomètres de diamètre, c'est comme mesurer l'épaisseur d'un cheveu humain à un kilomètre de distance. Une étoile à neutrons est le vestige d'une supernova explosée.

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.

Au centre d'une étoile mourante, lorsque son noyau s'effondre en une boule de neutrons, une tempête invisible naît. Des billions de neutrinos — des particules qui traversent la matière presque sans la remarquer — se précipitent dans le plasma incandescent.

En 1976, des physiciens ont prédit qu'un électron ne se contenterait pas de passer près du noyau, mais pourrait le percuter et lui transférer de l'énergie, le faisant « tressaillir ». Cet effet a été nommé NEEC — excitation nucléaire par capture électronique. Mais pendant près de cinquante ans, il n'a jamais pu être observé en laboratoire.

Dans la lointaine galaxie du Cigare, il existe un phare singulier. Il n'émet pas de lumière au sens habituel – ses rayons naissent dans un nuage surchauffé autour d'un trou noir qui dévore la matière d'une étoile voisine. De tels objets sont appelés sources de rayons X ultralumineuses. Leur éclat en rayons X est si intense qu'il éclipse des galaxies entières.

Au centre de nombreuses galaxies se cachent de gigantesques trous noirs. Ils sont entourés d’un épais nuage de plasma incandescent qui émet un puissant rayonnement X.

Au plus profond de la glace du pôle Sud, à près de deux kilomètres et demi sous la surface, un télescope pas comme les autres est en activité. Il n'est pas pointé vers le ciel, mais à travers la Terre. Sa proie : les neutrinos, ces particules quasi insaisissables qui traversent les planètes et les étoiles de part en part sans interagir avec rien.

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.

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.

À 123 parsecs de la Terre, dans la constellation de la Couronne australe, flotte l'étoile à neutrons RX J1856.5-3754. Son diamètre est d'environ 12 kilomètres, soit moins que le périphérique de Paris, mais sa température de surface atteint 460 000 kelvins.

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.

À neuf heures du matin, le détecteur DarkSide-50, à 1400 mètres sous le mont Gran Sasso, enregistre une faible impulsion d'ionisation. Vers onze heures du soir, la fréquence de tels événements diminue nettement.

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'Univers était une soupe brûlante de particules. Parmi elles flottaient des neutrinos superlourds – des milliers de fois plus massifs que leurs cousins légers qui nous traversent aujourd'hui. Leurs masses étaient presque identiques, comme trois jumeaux, et non des passants quelconques.

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.

Les neutrinos ressemblent à des danseurs invisibles qui changent de masque en plein vol. Les trois types de ces particules – le neutrino électronique, le neutrino muonique et le neutrino tau – passent constamment de l'un à l'autre.

Trois pluviomètres sont répartis dans une grande ville. Deux d'entre eux ont enregistré des averses rares mais très intenses, tandis que le troisième — le plus sensible — est resté sec. C'est à peu près l'énigme posée par les détecteurs de neutrinos, ces particules presque insaisissables qui arrivent des profondeurs de l'espace.

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.

Une étoile à neutrons est l'ancien noyau d'une étoile massive, comprimé à la taille d'une ville. Une cuillère à café de sa matière pèse comme une montagne.

Une étoile à neutrons, c'est une ville de la taille de Manhattan qui pèse comme un demi-million de Terres. Une cuillère à café de sa matière pèserait plus lourd que l'Everest. Et maintenant, dans cette boule superdense, on a mélangé quelque chose d'invisible et d'insaisissable : des particules de matière noire.

Une cuillère à café bien pleine, et la balance affiche un milliard de tonnes. C'est à peu près ce que pèserait la matière d'une étoile à neutrons si l'on pouvait la prélever et la peser.

En 2017, les détecteurs LIGO et Virgo ont enregistré le frémissement de l'espace-temps dû à la collision de deux fusion d'étoiles à neutrons — l'événement GW170817.

La matière noire reste le fond de basse inaudible de la symphonie cosmique — elle n'émet pas de lumière, mais son attraction gravitationnelle façonne les galaxies. Vera Rubin a capté ce rythme pour la première fois dans les années 1970 en observant la rotation des étoiles.

Lorsqu'une étoile géante s'effondre en supernova ou que deux étoiles à neutrons fusionnent dans une danse cosmique, des billions de neutrinos emportent l'énergie du cataclysme.

Les étoiles à neutrons sont les derniers agrégats de matière visible avant la chute dans un trou noir. Dans leurs entrailles, la matière est comprimée à des densités de l'ordre du billion. Là, les forces nucléaires et la gravité s'entrelacent pour former une substance exotique inaccessible à tout accélérateur terrestre.