Bienvenue dans une nouvelle astronomie : comment marchent les détecteurs géants de neutrinos, et ce qui vient après le Nobel
Au pôle Sud, l’observatoire neutrino IceCube regarde sous la glace pour comprendre le cosmos. Benjamin Eberhardt/IceCube/NSF , CC BY-NC-SA L’ESSENTIEL Le 6 octobre dernier, la fondation Nobel a récompensé Francis Halzen pour ses contributions à la création de l’observatoire IceCube, en Antarctique, et à la découverte des neutrinos de haute énergie d’origine astrophysique.
Le prix Nobel de physique 2026 a récompensé Francis Halzen pour sa contribution majeure à la création de l’observatoire IceCube, un détecteur géant de neutrinos situé en Antarctique. Ce projet a permis la détection des neutrinos d’origine astrophysique, des particules extrêmement énergétiques produites lors de phénomènes violents dans l’Univers. Contrairement aux neutrinos solaires ou atmosphériques, ces neutrinos cosmiques ont des énergies bien supérieures à celles générées dans les accélérateurs de particules terrestres, comme le Large Hadron Collider (LHC). Leur détection en 2013 par IceCube a marqué une avancée majeure, ouvrant une nouvelle branche de l’astronomie appelée astronomie neutrino. Cette discipline étudie l’Univers à travers ces particules fantomatiques, presque indétectables, qui traversent la matière sans interaction majeure.
Les neutrinos sont des particules élémentaires produites en abondance dans l’Univers, mais leur détection est extrêmement difficile car ils interagissent très rarement avec la matière. Leur existence a été prédite en 1930 par Wolfgang Pauli et observée pour la première fois en 1956 par Frederick Reines et Clyde Cowan grâce à un réacteur nucléaire. On distingue plusieurs types de neutrinos : les neutrinos solaires (émis par le Soleil lors de réactions de fusion), les neutrinos atmosphériques (créés par l’interaction des rayons cosmiques avec l’atmosphère terrestre) et les neutrinos astrophysiques (issus de phénomènes violents comme les noyaux actifs de galaxies ou les sursauts gamma). Leur détection repose sur l’observation des produits de leur rare interaction avec la matière, comme le muon, une particule chargée.
L’observatoire IceCube, construit entre 2005 et 2010 au pôle Sud, est un détecteur géant composé de 86 lignes verticales immergées dans la glace antarctique, à une profondeur de 2 450 mètres. Son volume total atteint près d’un kilomètre cube, une taille nécessaire pour augmenter les chances de détecter un neutrino, car ces particules traversent la matière comme si elle était transparente. Lorsqu’un neutrino interagit avec la glace, il produit un muon, une particule chargée qui émet une lumière bleutée caractéristique appelée rayonnement Tcherenkov. Ce phénomène est similaire à celui observé dans les piscines de stockage du combustible nucléaire. Les capteurs d’IceCube, suspendus aux lignes verticales, détectent cette lumière pour identifier la présence d’un neutrino.
En 2013, après deux ans de fonctionnement, IceCube a détecté 28 neutrinos cosmiques, marquant la première preuve directe de leur existence. Ces observations ont ouvert la voie à l’astronomie neutrino, une nouvelle discipline scientifique. En 2017, IceCube a associé un neutrino à un blazar, un noyau de galaxie émettant un jet de matière à haute vitesse. Ce jet accélère des particules qui, en interagissant avec leur environnement, produisent des neutrinos détectables sur Terre. Cette observation conjointe entre neutrinos et rayonnements électromagnétiques illustre l’astronomie multimessagers, qui combine différentes sources d’information pour étudier l’Univers. Ces découvertes ont permis de mieux comprendre les mécanismes de production des rayons cosmiques de haute énergie, encore mal connus.
Depuis les années 2020, un nouveau détecteur, KM3NeT, est en construction en Méditerranée, à 2 500 mètres de profondeur. Contrairement à IceCube, KM3NeT utilise l’eau comme milieu de détection. En 2024, il a annoncé la détection du neutrino le plus énergétique jamais observé, une découverte majeure qui soulève des questions sur l’origine de ces particules ultra-énergétiques. KM3NeT est conçu pour étudier les propriétés des neutrinos et poursuivre l’exploration de l’Univers. Son déploiement se poursuivra jusqu’en 2030, avec une sensibilité accrue pour détecter davantage de neutrinos et affiner les observations. Ce projet s’inscrit dans une collaboration internationale, avec des contributions de plusieurs pays européens.
L’astronomie neutrino connaît un essor rapide avec plusieurs projets en cours ou prévus. IceCube sera agrandi pour atteindre un volume de près de 8 kilomètres cubes, améliorant sa sensibilité et le taux de détection des neutrinos. En Chine, des observatoires comme *TRIDENT*, *NEON* et *HUNT* sont également en développement, avec des volumes comparables pour explorer de nouvelles sources de neutrinos. Une perspective clé est l’*astronomie multimessagers*, qui combine les données des neutrinos avec celles d’autres instruments, comme les interféromètres *LIGO* et *Virgo* détectant les *ondes gravitationnelles*. Ces collaborations pourraient révéler des phénomènes cosmiques encore inexpliqués, comme les sursauts gamma ou la matière noire. Ces avancées promettent de nouvelles découvertes fondamentales sur l’Univers dans les décennies à venir.
