NEUTRINOS

Les neutrinos, messagers de l'astronomie et de la cosmologie

Dès 1939, Hans A. Bethe (1906-2005) avait énoncé sa théorie de la production de neutrinos dans le Soleil et les étoiles, qui lui vaudra le prix Nobel de physique en 1967. On a vu l’importance de l’observation des neutrinos solaires et on comprend comment celle des neutrinos atmosphériques nous renseigne sur la nature des rayons cosmiques issus de l’Univers lointain. Les neutrinos se révèlent même des messagers fiables d’événements cosmiques exceptionnels, très complémentaires aux autres observations. Leur émission n'intervient pas exactement simultanément à celle des signaux électromagnétiques ou gravitationnels, et leur propagation dans les espaces intersidéraux est moins affectée par les divers champs magnétiques que celle des rayons lumineux ou X. Ainsi, en février 1987, les physiciens travaillant auprès du détecteur souterrain de Kamioka repèrent une poignée de neutrinos issus de la supernova 1987A, explosion d'une étoile dans le grand nuage de Magellan à quelque 170 000 années-lumière de la Terre. Plus récemment, des physiciens ont conçu et construits de véritables « télescopes à neutrino » afin de détecter et analyser les neutrinos produits dans l'Univers lointain. Le détecteur Ice-cube enfoui dans les glaces du pôle Sud est un ensemble de 86 lignes de détection contenant 5 160 modules optiques (1 km³). Depuis 2010, il détecte les neutrinos de très haute énergie (jusqu’au pétaélectronvolt, PeV, soit 10¹⁵ eV) venant principalement du ciel de l’hémisphère Nord. Depuis 2016, les 250 physiciens de la collaboration KM3NeT (pour Km³ Neutrino Télescope) installent deux détecteurs sous-marins, à des profondeurs de 2 500 et 3 500 mètres au large de Toulon (France) et de la Sicile ; ils seront pleinement opérationnels vers 2030.

Les neutrinos peuvent aussi contribuer à la compréhension de la structure interne de notre Terre. Leur absorption différenciée dans les matériaux permet d’envisager d’utiliser leur détection pour localiser la frontière entre le noyau et le manteau de notre planète, déterminer la densité de ces régions et même mesurer la composition chimique du noyau. Cette question fait partie du programme scientifique de l'expérience KM3NeT.

Les neutrinos sont sans doute les moins bien comprises des particules considérées aujourd'hui comme élémentaires. Depuis l'observation de leurs oscillations, ils sont l'indice le plus sûr qu’une extension du modèle standard des interactions fondamentales est bien nécessaire. De trop nombreux modèles théoriques ont été proposés dans ce sens tout en restant dans l'esprit de la description actuelle des champs fondamentaux ; la difficulté des tests expérimentaux suggérés ne permet pas de choisir parmi eux. Diverses expériences prévues pour les prochaines décennies lèveront peut-être le voile sur les propriétés des différents neutrinos. Il se pourrait même que la compréhension des neutrinos oblige à revoir les fondements mêmes de la description des interactions élémentaires. Mais, même sans bien comprendre bien leur nature, on continuera à les utiliser comme des messagers fidèles apportant des informations précieuses pour les progrès de l'astronomie.

— Bernard PIRE

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Bernard PIRE : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau

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Détection des types de neutrinos - crédits : Observatoire de Kamioka, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), Université de Tokyo — Détection des types de neutrinos

Observatoire de Kamioka, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), Université de Tokyo

Expérience de Tokai à Kamioka - crédits : SLAC — Expérience de Tokai à Kamioka

SLAC

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