Nous sommes inondés de neutrinos. Ils sont parmi les plus légers des quelque deux douzaines de particules subatomiques connues et ils proviennent de toutes les directions : du Big Bang qui a donné naissance à l’univers, des étoiles qui explosent et, surtout, du soleil. Ils traversent la Terre à une vitesse proche de celle de la lumière, tout le temps, jour et nuit, en très grand nombre. Environ 100 trillions de neutrinos traversent notre corps chaque seconde.
Le problème pour les physiciens est que les neutrinos sont impossibles à voir et difficiles à détecter. Tout instrument conçu à cet effet peut sembler solide au toucher, mais pour les neutrinos, même l’acier inoxydable est essentiellement un espace vide, aussi ouvert qu’un système solaire l’est à une comète. De plus, contrairement à la plupart des particules subatomiques, les neutrinos n’ont pas de charge électrique – ils sont neutres, d’où leur nom – et les scientifiques ne peuvent pas utiliser les forces électriques ou magnétiques pour les capturer. Les physiciens les appellent les « particules fantômes »
Pour capturer ces entités insaisissables, les physiciens ont mené des expériences extraordinairement ambitieuses. Pour que les neutrinos ne soient pas confondus avec les rayons cosmiques (particules subatomiques de l’espace qui ne pénètrent pas la terre), des détecteurs sont installés en profondeur. D’énormes détecteurs ont été placés dans des mines d’or et de nickel, dans des tunnels sous les montagnes, dans l’océan et dans les glaces de l’Antarctique. Ces dispositifs étrangement beaux sont des monuments à la détermination de l’humanité à apprendre sur l’univers.
On ne sait pas encore quelles applications pratiques découleront de l’étude des neutrinos. « Nous ne savons pas où cela va mener », déclare Boris Kayser, physicien théoricien au Fermilab de Batavia, dans l’Illinois.
Les physiciens étudient les neutrinos en partie parce que les neutrinos sont des personnages si étranges : ils semblent enfreindre les règles qui décrivent la nature dans ce qu’elle a de plus fondamental. Et si les physiciens veulent un jour réaliser leurs espoirs de développer une théorie cohérente de la réalité qui explique les bases de la nature sans exception, ils vont devoir rendre compte du comportement des neutrinos.
En outre, les neutrinos intriguent les scientifiques parce que ces particules sont des messagers des confins de l’univers, créés par des galaxies qui explosent violemment et d’autres phénomènes mystérieux. « Les neutrinos peuvent être capables de nous dire des choses que les particules plus banales ne peuvent pas nous dire », déclare Kayser.
Les physiciens ont imaginé les neutrinos bien avant d’en trouver. En 1930, ils ont créé ce concept pour équilibrer une équation qui ne s’additionnait pas. Lorsque le noyau d’un atome radioactif se désintègre, l’énergie des particules qu’il émet doit être égale à celle qu’il contenait à l’origine. Mais en fait, les scientifiques ont observé que le noyau perdait plus d’énergie que les détecteurs n’en capturaient. Alors, pour tenir compte de cette énergie supplémentaire, le physicien Wolfgang Pauli a imaginé une particule supplémentaire, invisible, émise par le noyau. « J’ai fait quelque chose de très mal aujourd’hui en proposant une particule qui ne peut être détectée », écrit Pauli dans son journal. « C’est quelque chose qu’aucun théoricien ne devrait jamais faire. »
Les expérimentateurs ont tout de même commencé à la chercher. Dans un laboratoire d’armes nucléaires en Caroline du Sud, au milieu des années 1950, ils ont stationné deux grands réservoirs d’eau à l’extérieur d’un réacteur nucléaire qui, d’après leurs équations, aurait dû produire dix mille milliards de neutrinos par seconde. Le détecteur était minuscule par rapport aux normes d’aujourd’hui, mais il parvenait tout de même à repérer des neutrinos – trois par heure. Les scientifiques avaient établi que le neutrino proposé était en fait réel ; l’étude de cette particule insaisissable s’est accélérée.
Une décennie plus tard, le domaine a changé d’échelle lorsqu’un autre groupe de physiciens a installé un détecteur dans la mine d’or de Homestake, à Lead, dans le Dakota du Sud, à 4 850 pieds sous terre. Dans cette expérience, les scientifiques ont cherché à observer les neutrinos en surveillant ce qui se passe dans les rares occasions où un neutrino entre en collision avec un atome de chlore et crée de l’argon radioactif, qui est facilement détectable. Au cœur de l’expérience se trouvait un réservoir rempli de 600 tonnes d’un liquide riche en chlore, le perchloroéthylène, un fluide utilisé dans le nettoyage à sec. Tous les quelques mois, les scientifiques vidaient le réservoir et en extrayaient environ 15 atomes d’argon, preuve de 15 neutrinos. Le suivi s’est poursuivi pendant plus de 30 ans.
Opérant détecter des neutrinos en plus grand nombre, des scientifiques japonais ont mené une expérience à 3 300 pieds sous terre dans une mine de zinc. Super-Kamiokande, ou Super-K comme on l’appelle, a commencé à fonctionner en 1996. Le détecteur consiste en 50 000 tonnes d’eau dans un réservoir en forme de dôme dont les parois sont recouvertes de 13 000 capteurs de lumière. Les capteurs détectent l’éclair bleu occasionnel (trop faible pour que nos yeux puissent le voir) produit lorsqu’un neutrino entre en collision avec un atome dans l’eau et crée un électron. En suivant le chemin exact parcouru par l’électron dans l’eau, les physiciens ont pu déduire la source, dans l’espace, du neutrino en collision. La plupart d’entre eux, ont-ils découvert, provenaient du soleil. Les mesures étaient suffisamment sensibles pour que Super-K puisse suivre la trajectoire du soleil dans le ciel et, à près d’un kilomètre sous la surface de la terre, observer la transformation du jour en nuit. « C’est vraiment passionnant », déclare Janet Conrad, physicienne au Massachusetts Institute of Technology. Les traces de particules peuvent être compilées pour créer « une belle image, l’image du soleil en neutrinos. »
Mais les expériences Homestake et Super-K n’ont pas détecté autant de neutrinos que les physiciens l’attendaient. Des recherches menées à l’Observatoire de neutrinos de Sudbury (SNO, prononcé « neige ») ont permis de déterminer pourquoi. Installé dans une mine de nickel de 6 800 pieds de profondeur en Ontario, le SNO contient 1 100 tonnes d' »eau lourde », une forme inhabituelle d’hydrogène qui réagit relativement facilement avec les neutrinos. Le fluide se trouve dans un réservoir suspendu à l’intérieur d’une énorme boule en acrylique qui est elle-même maintenue à l’intérieur d’une superstructure géodésique, qui absorbe les vibrations et sur laquelle sont accrochés 9 456 capteurs de lumière – le tout ressemblant à une décoration de sapin de Noël de 30 pieds de haut.
Les scientifiques travaillant au SNO ont découvert en 2001 qu’un neutrino peut spontanément passer d’une identité à l’autre – ou comme disent les physiciens, il oscille entre trois saveurs. Cette découverte a eu des implications surprenantes. D’une part, elle a montré que les expériences précédentes avaient détecté beaucoup moins de neutrinos que prévu, car les instruments n’étaient réglés que sur une seule saveur de neutrino – celle qui crée un électron – et ne détectaient pas ceux qui changeaient d’identité. D’autre part, cette découverte a bouleversé la croyance des physiciens selon laquelle un neutrino, comme un photon, n’a pas de masse. (Osciller entre les saveurs est quelque chose que seules les particules ayant une masse sont capables de faire.)
Combien de masse ont les neutrinos ? Pour le savoir, les physiciens construisent KATRIN – l’expérience sur les neutrinos au tritium de Karlsruhe. KATRIN est doté d’un appareil de 200 tonnes appelé spectromètre, qui mesurera la masse des atomes avant et après leur désintégration radioactive, révélant ainsi la masse du neutrino. Les techniciens ont construit le spectromètre à environ 250 miles de Karlsruhe, en Allemagne, où se déroulera l’expérience ; l’appareil étant trop grand pour les routes étroites de la région, il a été placé sur un bateau sur le Danube et a flotté au-delà de Vienne, Budapest et Belgrade, dans la mer Noire, à travers la mer Égée et la Méditerranée, autour de l’Espagne, dans la Manche, jusqu’à Rotterdam et dans le Rhin, puis vers le sud jusqu’au port fluvial de Leopoldshafen, en Allemagne. Là, il a été déchargé sur un camion et a traversé la ville en grinçant jusqu’à sa destination, deux mois et 5 600 miles plus tard. Il devrait commencer à collecter des données en 2012.
Les physiciens et les astronomes intéressés par les informations que les neutrinos de l’espace pourraient transporter sur les supernovas ou les galaxies en collision ont mis en place des « télescopes » à neutrinos. L’un d’eux, appelé IceCube, se trouve dans un champ de glace en Antarctique. Une fois achevé, en 2011, il sera composé de plus de 5 000 capteurs de lumière bleue (voir le schéma ci-dessus). Ces capteurs ne sont pas dirigés vers le ciel, comme on pourrait s’y attendre, mais vers le sol, afin de détecter les neutrinos du soleil et de l’espace qui traversent la planète par le nord. La terre bloque les rayons cosmiques, mais la plupart des neutrinos traversent la planète de 8 000 miles de large comme si elle n’était pas là.
Une expérience de neutrino à longue distance se déroule sous plusieurs États du Midwest. Un accélérateur à haute énergie, qui génère des particules subatomiques, tire des faisceaux de neutrinos et de particules connexes jusqu’à six miles de profondeur, sous le nord de l’Illinois, à travers le Wisconsin et dans le Minnesota. Les particules partent du Fermilab, dans le cadre d’une expérience appelée MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search). En moins de trois millièmes de seconde, elles atteignent un détecteur situé dans la mine de fer de Soudan, à 450 miles de là. Les données que les scientifiques ont recueillies compliquent leur image de ce monde infinitésimal : il apparaît désormais que des formes exotiques de neutrinos, appelés anti-neutrinos, pourraient ne pas suivre les mêmes règles d’oscillation que les autres neutrinos.
« Ce qui est cool, dit Conrad, c’est que ce n’est pas ce à quoi nous nous attendions. »
Lorsqu’il s’agit de neutrinos, très peu de choses le sont.
Le dernier livre d’Ann Finkbeiner, A Grand and Bold Thing, porte sur le Sloan Digital Sky Survey, un effort pour cartographier l’univers.
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