télescope à neutrinos

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.

La lueur bleue dans l'eau autour d'un réacteur nucléaire est une lumière qui naît lorsqu'une particule chargée dépasse la lumière dans ce milieu. L'effet a été découvert par Pavel Tcherenkov en 1934, et la théorie a été donnée par Igor Tamm et Ilia Frank.

En juillet 1969, alors qu'Apollo 11 volait vers la Lune, les astronautes ont remarqué quelque chose d'inhabituel : de brefs éclairs de lumière qui apparaissaient même les yeux fermés. Au début, on a mis cela sur le compte de la fatigue, mais les flashs se sont répétés chez différents équipages.

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.

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'Univers était une « soupe » brûlante de particules. En refroidissant, il a subi des transitions de phase — comme l'eau qui se transforme en glace.

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.

Dans l'anneau de 21 kilomètres de Protvino, près de Moscou, on projetait autrefois d'accélérer des protons. Aujourd'hui, le même tube pourrait accueillir une machine bien différente : un collisionneur de muons. Le muon est un cousin lourd de l'électron, et c'est là sa force.

La main invisible de la matière noire étreint les galaxies dans les bras de la gravité, mais sa nature nous échappe depuis près d'un siècle.

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.

Les détecteurs de matière noire sont des microphones d'une sensibilité incroyable, capables d'entendre un murmure au milieu du vacarme d'un concert de rock. Ils cherchent les rares secousses provoquées par les particules de matière noire.

Lorsqu'une étoile massive meurt, son cœur se contracte et l'explosion d'une supernova se produit. Ce cataclysme engendre des flux de particules, comme les vagues provoquées par une pierre jetée dans l'eau. Les premières à arriver sont les neutrinos rapides, qui traversent la Terre sans presque interagir.

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.

L'histoire a commencé il y a près d'un siècle, lorsque Edwin Hubble a montré que les galaxies s'éloignent, et que Fritz Zwicky et Vera Rubin ont compris plus tard que leurs mouvements nécessitent une masse invisible — la matière noire.

Une pierre tombe dans un étang, et des cercles se propagent à la surface de l'eau. Ainsi, la lumière des galaxies lointaines se diffuse dans toutes les directions — calmement et régulièrement. Mais au centre de certaines galaxies se cache non pas une pierre, mais un véritable canon : il projette des particules avec une force monstrueuse. Les astronomes appellent ces objets HSP BL Lac.

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.

Une étoile à neutrons est le noyau mort d'une étoile massive, comprimé à la taille d'une ville. Une cuillère à café de sa matière pèse autant qu'une montagne.

Les détecteurs de matière noire classiques ressemblent à un gardien de but qui attend un tir puissant alors que le ballon roule à peine. Les particules invisibles qui remplissent notre Galaxie se déplacent souvent trop lentement pour être repérées par les capteurs sensibles.

Si le noyau d'un atome est une famille, dans la maison de l'hélium ordinaire vivent deux protons et deux neutrons, solidement main dans la main. Imaginez maintenant qu'un des membres de la famille soit un excentrique qui aime se promener loin de la maison.

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.

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.

Le spectre du rayonnement gamma ressemble à une palissade : chaque raie est l'énergie exacte que le noyau a cédée au photon. Mais parfois, dans cette palissade, apparaissent des « fantômes » — des raies faibles, décalées d'une même quantité par rapport aux raies principales.

Les neutrinos sont des particules élémentaires surnommées à juste titre « fantômes » : ils n'interagissent presque pas avec la matière, ce qui rend leur détection extrêmement difficile. L'existence des neutrinos a été prédite par Wolfgang Pauli, et c'est Enrico Fermi qui leur a donné leur nom.

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.

Un détecteur de matière noire, c'est comme une pièce où l'on essaie d'entendre un chuchotement alors qu'à côté, un poste de radio crache des parasites. Ces parasites sont créés par les atomes de radon, un gaz radioactif qui s'infiltre depuis les matériaux et l'air.

Les particules cosmiques dont l'énergie dépasse de millions de fois celle des accélérateurs terrestres frappent l'atmosphère et engendrent une pluie de particules secondaires. Cette pluie émet des ondes radio que captent des antennes au sol.

L'hélium d'un ballon de fête, c'est ce gaz qui le fait s'élever. Mais bien avant les ballons, l'hélium est apparu dans les premières minutes qui ont suivi le Big Bang.

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.

Dans un réservoir d'eau pure, les particules se déplaçant plus vite que la lumière dans ce milieu laissent des éclairs bleutés — comme un avion franchissant le mur du son produit un bang. Grâce à ces éclairs, on peut identifier le visiteur : un quantum gamma ou un neutron.

Lorsqu'une étoile massive épuise son carburant, elle s'effondre sur elle-même et explose en supernova. Un instant avant la catastrophe, des neutrinos s'échappent du noyau – des particules fantômes.

Les astronomes les ont surnommés « petits points rouges » : de lointaines galaxies au centre desquelles se cache un trou noir géant, enveloppé dans une épaisse couche d'hydrogène. Cet emballage n'est pas qu'un camouflage, c'est un véritable canon naturel. Le trou noir aspire la matière, mais en rejette une partie sous forme de jets étroits.

Les neutrinos sont des particules fantômes : prédits par le modèle standard, ils n'interagissent presque pas avec la matière. Les attraper, c'est comme essayer d'entendre un murmure dans le vacarme d'une cascade.

Les neutrinos cosmiques sont des particules fantômes qui traversent la Terre sans encombre. Le télescope IceCube, enfoui dans les glaces de l'Antarctique, a un jour capté un tel neutrino, et il coïncidait avec une éruption infrarouge.

Les rayons cosmiques sont des particules chargées qui nous parviennent des profondeurs de la Galaxie. Si l'on trace un graphique du nombre de particules en fonction de leur énergie, la courbe est régulière, puis chute soudainement. Ces ruptures sont appelées « genoux ».

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.