super-kamiokande

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.

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.

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.

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.

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

La famille des nickelates est constituée de cristaux en couches, semblables à une pile de crêpes : les couches de nickel et d'oxygène alternent avec des intercalaires de lanthane. Il y a deux ans, on y a découvert la supraconductivité — la capacité de conduire le courant sans résistance lorsqu'ils sont refroidis.

Les ingénieurs fabriquent un alliage pour les concentrateurs solaires en y ajoutant des particules dures — comme des raisins secs dans une pâte, pour qu'elle garde sa forme sous une chaleur extrême. Des raisins trop gros, et le matériau fissure. Avant, les scientifiques les comptaient manuellement sur des images de microscope.

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.

On compare souvent les neutrinos à une émission radio captée par différents récepteurs. Une station émet un signal, mais les antennes au Japon, en Antarctique et au fond de la mer Méditerranée l'entendent différemment — à cause de la distance, des interférences et de l'orientation de l'antenne.

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.

Dans les profondeurs d'une étoile à neutrons massive, où une cuillère à café de matière pèse comme une montagne, les quarks sont compressés à une proximité inimaginable.

Un photographe prend en photo une forêt de nuit et tente de capturer des lucioles. Les flashs sont rares, faibles, et autour, il y a le bruit du vent et des lumières lointaines.

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.

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.

Dans les profondeurs de la mer Méditerranée, où l'eau exerce une pression de plusieurs centaines d'atmosphères, un réseau de sphères photosensibles attendait un hôte rare. Et il est venu – un neutrino qui a traversé l'épaisseur de la Terre avec une énergie comparable à celle d'une brique en vol.

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.

Au cœur de chaque atome se trouve un proton. Longtemps, on l'a cru éternel, comme la matière elle-même. Mais les théories qui unifient toutes les forces de la nature prédisent que, tôt ou tard, le proton se désintégrera. La seule question est de savoir combien de temps il faudra attendre.

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.

Une lanterne lointaine brille à travers une vitre irrégulière. La vitre courbe les rayons, et au lieu d'une seule lumière sur le mur, on en voit plusieurs — certaines plus vives, d'autres plus faibles. C'est à peu près ce qui se passe quand une galaxie massive courbe la lumière d'une étoile en explosion. L'explosion était unique, mais sur les images, on distingue quatre points lumineux.

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.

L'eau ordinaire dans un verre est transparente et calme. Mais si on y ajoute de minuscules points de carbone, fabriqués à partir de sucre et d'acide citrique dans un micro-ondes classique, l'eau se met à briller lorsqu'une particule chargée la traverse.

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 une cuve sombre de trente tonnes, l'eau s'illumine lorsqu'une particule fantôme la traverse. Le neutrino interagit à peine avec la matière, mais il lui arrive de heurter un atome, et c'est alors une lueur qui naît. Pour l'attraper, on ajoute à l'eau une substance spéciale — un scintillateur liquide — qui amplifie la lumière.

Pour aligner les spins des particules dans une même direction, les physiciens refroidissent généralement la matière presque jusqu'au zéro absolu et la placent dans un champ magnétique intense. C'est coûteux et encombrant.

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.

Lorsqu'une particule traverse un matériau transparent plus vite que la lumière ne s'y propage, elle laisse derrière elle une faible lueur bleue — comme un avion franchissant le mur du son engendre une onde de choc. C'est le rayonnement Tcherenkov, qui jaillit instantanément, sans délai, et se révèle donc idéal pour des horloges ultra-précises dans le monde des particules élémentaires.

En avril 2023, les satellites japonais ont détecté une éruption de rayons X extrêmement puissante sur l'étoile à neutrons MAXI J1752–457. L'étoile a refroidi en 4 jours — cinq fois plus vite que d'habitude. Comme si quelqu'un avait entrouvert une fenêtre cosmique. Cette fenêtre a été ouverte par le « processus Urca » nucléaire.

La lumière issue des tout premiers instants de l'Univers voyage vers nous depuis des milliards d'années. En chemin, elle passe près d'immenses amas de galaxies. Leur gravité courbe légèrement cette lumière, comme une vitrine déforme la rue que l'on voit à travers elle. Lorsque les amas grandissent, la courbure devient plus marquée. Cet effet est appelé l'effet Rees-Sciama.

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 champ, un réservoir d'eau qui sert normalement à piéger les particules venues de l'espace surveille désormais la quantité d'humidité dans le sol sous nos pieds. L'eau du réservoir agit comme un piège à neutrons — ces particules minuscules qui s'échappent du sol lorsque des rayons cosmiques le frappent.

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.

Au cœur d'une étoile mourante, huit fois plus massive que le Soleil, une fièvre silencieuse s'installe quelques jours avant l'explosion finale. Le noyau de l'étoile se contracte et s'échauffe, libérant des neutrinos – de minuscules particules qui interagissent à peine avec la matière.

Lorsqu'une étoile massive explose en supernova, sa matière, à des vitesses de plusieurs milliers de kilomètres par seconde, percute l'enveloppe environnante de poussière cosmique et de gaz — comme si elle heurtait un invisible manteau enveloppant l'étoile.

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.

Des atomes ultra-froids peuvent se comporter comme un tout. Si un neutrino naît dans un tel nuage, il s'éclipse généralement sans laisser de trace.

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.