Nous reprenons ici, en le remerciant, un excellent article de Anthony Laurent dans Médiapart concernant les neutrinos et leur importance dans l’univers (voir https://www.mediapart.fr/journal/international/100623/une-odyssee-sous-la-mer-pour-percer-un-mystere-de-l-univers)

Une odyssée sous la mer pour percer un mystère de l’Univers

Plongé dans les profondeurs de la Méditerranée, un télescope doit observer des neutrinos, particules venues de l’espace encore très mystérieuses. Pour les scientifiques, cette expérience pourrait notamment aider à répondre à une question abyssale : pourquoi l’antimatière, présente aux tout premiers instants de l’Univers, a-t-elle disparu ?

Anthony Laurent

10 juin 2023 à 14h11

Scruter  l’espace… depuis les profondeurs de la mer, il fallait y penser. D’apparence saugrenue et quelque peu contradictoire, tant les deux milieux sont radicalement différents, cette idée a progressivement germé dans l’esprit de plusieurs chercheurs du CNRS, de l’université d’Aix-Marseille et de l’Institut français de recherche pour l’exploitation de la mer (Ifremer). Elle s’est récemment concrétisée dans la conception et l’installation d’un labo « unique au monde » : le Laboratoire sous-marin Provence Méditerranée (LSPM), immergé à 2 450 mètres de profondeur au large de Toulon (Var), dans le golfe du Lion.

Inauguré en grande pompe le 24 février dernier, ce site scientifique sous-marin d’un genre un peu particulier poursuit en réalité deux objectifs : l’étude du milieu marin profond, les abysses ; et l’étude des neutrinos, des particules élémentaires venues tout droit de l’espace. Deux « mondes » dont on ignore encore (presque) tout.

« Nous avons l’habitude de collaborer avec les physiciens, notamment pour mutualiser les infrastructures, fait savoir Christian Tamburini, océanographe spécialiste de la biologie marine et directeur de recherche au CNRS. L’obscurité totale qui règne au fond de la mer et la transparence de l’eau à ces profondeurs nous permettent à la fois d’étudier l’environnement abyssal – en particulier la faune marine, en observant la bioluminescence émise par certains organismes –, et d’étudier la physique des neutrinos, grâce au flash de lumière que ces derniers émettent une fois dans l’eau, ce qu’on appelle “l’effet Tcherenkov”. »

Observatoire destiné à collecter des informations inédites sur la mer et le ciel pendant au moins cinq ans, le LSPM abrite plusieurs types d’instruments : des capteurs océanographiques, une biocaméra ultrasensible, un sismomètre, un spectromètre gamma et un robot sur chenilles baptisé « BathyBot », développé par l’Institut méditerranéen d’océanologie. « Il s’agit du premier robot de ce genre à être mis en place de façon permanente à plus de 2 000 mètres de profondeur en Europe. Et au vu des conditions dans lesquelles nous le télépilotons, c’est un peu comme si on était sur Mars avec une astromobile télé-opérée. Il y a vraiment des points communs avec la recherche spatiale », avance Christian Tamburini.

L’une des missions de BathyBot est de documenter en continu la colonisation, par des organismes bioluminescents notamment, d’un récif artificiel en béton « bio-inspiré », spécialement conçu pour les besoins du laboratoire sous-marin et volontairement immergé – c’est une première – dans les profondeurs abyssales.

Tous les instruments du LSPM permettent de mesurer de nombreux paramètres environnementaux tels que la dynamique de la colonne d’eau (la zone comprise entre le fond et la surface de la mer), la température, la salinité et la concentration en oxygène du milieu, les échanges entre continents et océans, les effets du dérèglement climatique, l’évolution de la faune, la bioacoustique et la radioactivité marines, ou encore la sismicité.

Ils sont reliés au centre de contrôle principal du Centre de physique des particules de Marseille (CPPM), situé à La Seyne-sur-Mer, par un câble électro-optique long de 42 kilomètres, qui leur fournit à la fois puissance électrique (pour leur fonctionnement) et haut débit (pour le transfert des données en continu et en temps réel vers le continent).

60 milliards de neutrinos par seconde et par centimètre carré de Terre

Ce « cordon ombilical » est également vital pour ce qui constitue l’équipement phare du LSPM : un détecteur géant de neutrinos. De son petit nom « KM3NeT » (pour Cubic Kilometre Neutrino Telescope), ce dernier, développé par 250 chercheurs et chercheuses de 17 pays, est une sorte d’immense télescope sous-marin dont le but est de capter les neutrinos, ces particules cosmiques aux propriétés encore mystérieuses aux yeux des physicien·nes.

« Les neutrinos sont des particules fondamentales de la matière, au même titre que les électrons, les protons et les neutrons , parmi les plus abondantes dans l’Univers. Il en arrive sur chaque centimètre carré de la Terre, de jour comme de nuit, 60 milliards par seconde ! », explique Paschal Coyle, physicien, directeur de recherche au CPPM, laboratoire rattaché à l’Institut national de physique nucléaire et de physique des particules du CNRS, et directeur du LSPM.

Pour autant, détecter les neutrinos reste un défi : « Du fait de leur taille infiniment petite, inférieure à l’atome, de leur masse extrêmement faible et de leur charge électrique nulle, ils sont très difficiles à détecter. C’est pourquoi, pour avoir la chance de les observer, nous avons besoin d’un très grand détecteur, particulièrement élaboré. Et l’un des seuls endroits au monde où nous pouvons véritablement le déployer, c’est au fond de la mer, là où l’espace disponible est immense et l’eau transparente. »

Oubliez l’image de la lunette astronomique pointant l’espace à l’abri dans un dôme d’observation, le télescope à neutrinos KM3NeT ne ressemble à aucun autre. Et pour cause : il sera constitué, d’ici à 2027, de 115 lignes de détection verticales, ressemblant aux lignes de mouillage des bateaux de plaisance, ancrées au fond marin.

Hautes chacune de 200 mètres et espacées entre elles d’une vingtaine de mètres, ce sont elles qui sont censées traquer, dans un volume de près de 6 milliards de litres d’eau, la lumière bleue caractéristique que les neutrinos laissent dans leur sillage aquatique – le fameux « effet Tcherenkov » (que l’on observe aussi dans les piscines de refroidissement des combustibles usés des centrales nucléaires). Le télescope du LSPM doit ainsi pouvoir en détecter plusieurs dizaines par jour.

Comment exactement ? Chaque ligne de détection est dotée de 18 sphères en verre résistantes à la pression régnant dans les abysses. Chacune de ces sphères, de la taille d’un ballon de football, renferme 31 tubes photomultiplicateurs très sensibles à la lumière. « Mieux que les yeux des êtres humains », selon Paschal Coyle, ce sont ces tubes, disposés à 360 degrés, qui sont chargés de capter les infimes halos lumineux résultant de l’odyssée sous-marine des neutrinos.

« Sans l’effet Tcherenkov, très utile aux physiciens des particules, il serait impossible d’observer les neutrinos, précise le chercheur. Comme ces derniers sont électriquement neutres, quasiment invisibles et qu’ils interagissent très peu avec la matière, nous ne pouvons les voir que de façon indirecte : c’est au contact des molécules d’eau qu’ils produisent des particules chargées. Celles-ci, se déplaçant plus vite que la lumière dans l’eau, génèrent alors une trace lumineuse derrière elles. » C’est cette trace que captent les tubes photomultiplicateurs, les yeux de KM3NeT, pour la convertir ensuite en signal électrique mesurable et exploitable scientifiquement.

Bien que leur existence ait été imaginée dès les années 1930 et qu’ils aient été découverts expérimentalement en 1956, les neutrinos restent une énigme pour la communauté des physicien·nes. On sait toutefois que ces « particules fantômes », qui semblent vivre dans un univers parallèle, trouvent leur origine dans deux phénomènes aujourd’hui bien identifiés : les réactions de fusion d’hydrogène qui ont lieu au cœur du Soleil et l’explosion des étoiles en fin de vie (les supernovæ), qui libère une quantité prodigieuse d’énergie et de lumière.

Selon leur trajectoire, et donc leur devenir, dans l’espace interstellaire, ils se présentent sous trois formes (ou « saveurs ») différentes – électronique, muonique et tauique –, pouvant passer de l’une à l’autre, au cours de leur voyage spatial, par un mécanisme appelé « l’oscillation des neutrinos », mis en évidence pour la première fois il y a tout juste 25 ans et que les physicien·nes cherchent toujours à cerner aujourd’hui.

Voyage au centre de la Terre

Comme ils interagissent faiblement avec la matière ordinaire, les neutrinos sont de véritables particules « passe-muraille », capables de traverser la Terre de part en part sans jamais heurter un seul noyau d’atome, et donc sans être déviés d’un iota dans leur course folle depuis leur source solaire ou stellaire. Résultat ? Leur étude s’avère riche d’enseignements très précieux à la fois sur leurs propriétés physiques fondamentales (ou quantiques) mais aussi sur la composition du Soleil, l’origine et l’évolution de l’Univers (les neutrinos sont nés il y a 13,7 milliards d’années, une seconde après le Big Bang), la structure interne de la Terre, ou encore sur le fonctionnement… des réacteurs de nos bonnes vieilles centrales nucléaires !

D’origine cosmique – on les qualifie alors de « cosmologiques » –, les neutrinos deviennent des neutrinos « atmosphériques » après avoir traversé l’atmosphère terrestre. Ce sont ces derniers que les physiciens du LSPM étudient dans les profondeurs de la Méditerranée. Fruits de la rencontre ininterrompue entre les rayons cosmiques, venus de notre galaxie ou des confins de l’Univers, et les hautes couches de l’atmosphère, les neutrinos atmosphériques sont produits en permanence et arrosent notre planète de toutes parts. Si bien que, contrairement à ce que pourrait penser un observateur non averti, « la meilleure “vue” que nous ayons, autrement dit les meilleurs signaux que nous captons, viennent d’en bas, c’est-à-dire en analysant préférentiellement les particules qui proviennent du ciel austral et qui ont traversé toute la Terre jusqu’au laboratoire sous-marin », précise Paschal Coyle.

La raison en est simple : davantage que les neutrinos atmosphériques descendants (qui viennent directement de l’atmosphère), les neutrinos atmosphériques ascendants (qui ont traversé les entrailles de la Terre) ont subi des transformations quantiques qui intéressent particulièrement les scientifiques du LSPM, parmi lesquelles les fameuses oscillations.

Avec KM3NeT, comme avec d’autres installations à travers le monde, les physicien·nes cherchent au fond à répondre à au moins deux questions majeures : quelle est exactement la masse des neutrinos ; et des trois formes que revêtent ces particules, laquelle est la plus lourde ? Et, question fondamentale en physique des particules, pourquoi l’antimatière, qui était présente en quantité égale avec la matière dès les tout premiers instants de l’Univers, a-t-elle disparu ?

Pour l’heure, même si les 115 lignes de détection n’ont pas encore été toutes déployées, des neutrinos sont observés tous les jours par l’équipe du LSPM, ce qui lui permet déjà de percer certains de leurs mystères. « Nous avons pu mesurer leur oscillation, quand ils passent d’un état quantique à un autre. Et nous sommes en tête de la compétition mondiale pour déterminer, dans les mois à venir, quel neutrino est le plus lourd parmi les trois connus à ce jour… », fait savoir Paschal Coyle.

Quelles sont les perspectives scientifiques avec KM3NeT, quand celui-ci sera pleinement opérationnel en 2027 ? Les scientifiques pointeront alors leur regard au loin, au-delà des seuls neutrinos atmosphériques, pour observer en particulier les explosions cosmiques. Leur objectif, en collaboration avec leurs collègues internationaux : mettre à disposition, en quelques instants seulement, tous les télescopes du monde pour étudier des événements astronomiques rares, comme la prochaine supernova galactique, qui émettra des quantités phénoménales de neutrinos et sera ainsi visible pendant plusieurs semaines depuis la Terre.

Anthony Laurent