Derniers préparatifs avant le déploiement d’une ligne de détection KM3NeT ancrée sur le fond marin. Photo : Paschal Coyle/CNRS/KM3NeT
Un gigantesque détecteur, encore en construction au fond de la mer Méditerranée, a déjà capturé un neutrino exceptionnel, venu des confins de l’Univers. Une aubaine pour l’astrophysique !
On dit que la chance sourit aux audacieux. Le réseau KM3NeT illustre ce dicton à merveille. En effet, il a fallu une sacrée dose d’audace pour construire cet immense détecteur de neutrinos, les particules les plus insaisissables de l’Univers. Voyez plutôt : l’étrange dispositif est composé de centaines de capteurs… ancrés à 3500 mètres au fond de la mer Méditerranée ! Et l’audace a payé : un neutrino très particulier, porteur d’une énergie folle, s’est miraculeusement pris dans les filets du détecteur, alors que seuls 10 % des capteurs étaient installés. « On était vraiment surpris. KM3NeT est conçu pour observer des domaines inconnus, donc on ne savait pas trop à quoi s’attendre. Si on se base sur d’autres expériences, en extrapolant, c’est le genre d’événement qui a une chance de survenir, quoi… tous les 70 ans ? » avance prudemment Paschal Coyle, porte-parole de la collaboration KM3NeT, qui regroupe plus de 350 scientifiques de 21 pays.
Ce neutrino cosmique est arrivé comme un bolide le 13 février 2023, à 2 h 16 du matin, du fin fond de l’Univers. Par un hasard stupéfiant, il a terminé sa longue course pile au bon endroit, laissant une trace bien nette dans le détecteur sous-marin inachevé. Sa particularité ? Il est trente fois plus énergétique que les neutrinos les plus « puissants » captés jusqu’ici sur Terre par d’autres détecteurs. « Les neutrinos voyagent très vite, à une vitesse proche de celle de la lumière. Quand on dit qu’un neutrino est très énergétique, c’est qu’il est encore plus proche de la vitesse de la lumière », explique Paschal Coyle.
Or, seuls des événements cataclysmiques, comme des explosions d’étoiles, sont capables de catapulter des particules avec une telle force. Autrement dit, ce neutrino est un messager direct qui livre des informations inédites sur des phénomènes difficiles à observer avec les télescopes classiques. « Cela ouvre une nouvelle fenêtre pour comprendre quels processus astrophysiques sont capables d’accélérer des particules à de telles énergies », dit avec enthousiasme Roxanne Guénette, professeure de physique des particules à l’Université de Manchester, spécialiste des neutrinos, et ex-membre du groupe KM3NeT.
Il a fallu plusieurs mois de calibrations et de vérifications pour confirmer la nature du signal détecté ce jour-là. Les résultats, d’abord présentés en juin 2024 lors d’une conférence de physique à Milan, ont été officiellement publiés dans Nature en février 2025. « Et nous avons publié quatre autres articles simultanément pour tenter d’expliquer l’origine de ce neutrino », indique Paschal Coyle, aussi directeur de recherche au Centre de physique des particules de Marseille (CPPM-CNRS), en France. Bref, c’est une grosse affaire !
Les nouveaux messagers
Classiquement, l’observation de l’Univers se fait avec des télescopes sensibles aux rayonnements électromagnétiques (la lumière visible, mais aussi les rayons X, gamma et les ondes radio). On peut combiner différentes longueurs d’onde pour obtenir une image complète d’un objet céleste.
À ces « messagers » classiques s’ajoutent aujourd’hui les neutrinos et les ondes gravitationnelles, qui donnent des renseignements autrement inaccessibles sur des phénomènes brefs et violents. On parle d’astronomie « multimessagers ».
Un filet géant
Pour mieux comprendre ce que signifie cette « prise », il faut retourner au large de la Sicile et plonger dans les abysses. Là, un immense observatoire est en construction depuis 2021 : ARCA. Son « frère », ORCA, est déployé un peu plus au nord, au large de la France. À eux deux, ils constituent le Cubic Kilometre Neutrino Telescope (KM3NeT). À terme, d’ici 2030, ARCA comptera 230 câbles de 700 mètres de haut, fixés au plancher marin, sur lesquels seront accrochés au total 128 000 capteurs optiques. « Mais lorsque l’événement s’est produit, il n’y avait que 21 lignes en fonction », explique Paschal Coyle. Des lignes qui ont démontré avec brio leur capacité à intercepter leurs proies !
Le détecteur ARCA comprendra, à terme, 230 câbles dotés chacun de 18 modules optiques ; chaque sphère contient elle-même 31 capteurs. Illustration: Edward Berbee/Nikhef/KM3NeT
Ces proies, les neutrinos, comptent parmi les particules les plus abondantes de l’Univers. Des centaines de milliards d’entre eux nous traversent chaque seconde, venus du cœur du Soleil ou produits par des cataclysmes cosmiques, comme des explosions d’étoiles. Mais ils n’interagissent presque pas avec la matière. De fait, en traversant la Terre, seul 1 neutrino sur 10 milliards entre en collision avec un atome. Les détecteurs de neutrinos doivent donc être aussi gigantesques que sensibles, en plus d’être logés à l’abri des rayons cosmiques qui bombardent la surface de la planète et brouillent les signaux. On les construit donc sous terre (comme celui du SNOLAB, au fond d’une mine de l’Ontario), sous la glace (comme IceCube, en Antarctique), ou sous l’eau. « L’eau de la mer Méditerranée est très transparente, surtout dans les grandes profondeurs, explique Paschal Coyle, ce qui facilite la détection. » Une fois fini, ARCA couvrira un volume sous-marin de 1 km3.
Lorsque, par chance, un neutrino vient frapper un atome d’hydrogène ou d’oxygène dans l’eau, cela entraîne la production d’une particule chargée électriquement (dans ce cas, un muon, une sorte de cousin de l’électron). Celle-ci cause elle-même l’émission de lumière (voir encadré) ; et c’est cette traînée de lumière bleutée que les capteurs optiques détectent sous l’eau. « Un neutrino très énergétique va produire un muon très énergétique, qui va produire plus de lumière », précise Paschal Coyle. Cette fameuse fois, les capteurs optiques ont été éblouis !
D’où vient la lumière ?
Le détecteur ARCA, comme son « cousin » IceCube, enfoui dans la glace en Antarctique, est constitué de milliers de capteurs optiques ultrasensibles, capables de détecter un photon unique !
On l’a vu, lorsqu’un neutrino entre en collision avec un atome du milieu environnant (l’eau, par exemple), cela entraîne l’émission d’une particule chargée, comme un muon. Or ces particules voyagent plus vite que la lumière – dans l’eau, la vitesse de la lumière est moindre que dans le vide, donc il est possible de la dépasser. Cela cause une sorte de déflagration lumineuse, une onde de choc appelée lumière Tcherenkov, qui peut être captée par plusieurs modules optiques, à mesure qu’elle se propage dans le détecteur. Cela permet de retracer précisément la trajectoire de la particule.
Fait amusant, les détecteurs ne « regardent » pas le ciel au-dessus d’eux, en raison des rayons cosmiques qui pleuvent de l’atmosphère et génèrent un bruit de fond trop intense. Ils sont plutôt orientés vers le bas, et observent le cosmos à travers le globe terrestre, qui sert alors de filtre anti-rayons cosmiques. IceCube, situé en Antarctique, sonde ainsi la voûte qui surplombe le pôle Nord. « KM3NeT est mieux placé, car il est orienté vers le cœur de notre galaxie », précise Paschal Coyle. Ce qui est judicieux pour capter également des neutrinos venant de notre galaxie.
Haute énergie
Ce « super neutrino » a pulvérisé les records. C’est comme s’il contenait à lui seul toute l’énergie d’une balle de ping-pong lâchée à 1 m du sol. Cela paraît peu, mais c’est colossal, quand on considère qu’elle est concentrée dans une particule des milliards de milliards de fois plus petite qu’une balle… Autre point de comparaison : l’accélérateur de particules le plus énergétique sur Terre, le Grand collisionneur de hadrons, en Suisse, accélère les particules à des énergies de 15 000 à 20 000 fois moindres que celle que portait le muon. « Et on parle du muon [car c’est lui qu’on détecte]. On peut en déduire que le neutrino initial, lui, avait encore plus d’énergie ! » expliquait Aart Heijboer, professeur à l’Institut néerlandais de physique subatomique et membre du KM3NeT, lors d’une conférence de presse en février dernier.
Pour être porteur d’une telle énergie, ce neutrino a forcément été créé par un événement hors norme qui a joué le rôle « d’accélérateur cosmique ». On sait par exemple que les explosions d’étoiles en fin de vie, les supernovae, ou encore les collisions d’étoiles à neutrons peuvent engendrer des neutrinos très énergétiques. « Ces événements propulsent des particules, comme des protons, qui vont fortement accélérer. Elles-mêmes vont interagir avec la matière sur leur chemin, et générer des neutrinos. Comme les neutrinos n’ont pas de charge électrique, ils ne sont pas courbés ni freinés [par les champs magnétiques des galaxies, par exemple] : ce sont des messagers directs, intacts, qui conservent toute leur énergie et voyagent en ligne droite », explique Roxanne Guénette. Des messagers parfaits, en somme, dont la trajectoire pointe vers le phénomène qui leur a donné naissance.
Selon l’équipe de KM3NeT, l’origine la plus probable de ce super neutrino est « un noyau de galaxie actif. Cela correspond à un trou noir supermassif, au cœur d’une galaxie, qui avale de la matière et produit des jets de particules – on parle d’un quasar », avance Paschal Coyle. Ces jets accélérés peuvent à leur tour générer des neutrinos – qui filent droit devant eux. Les scientifiques de KM3NeT ont braqué plusieurs télescopes dans la direction d’origine du neutrino, et ont identifié une douzaine de noyaux galactiques qui pourraient être de bons candidats. « Nous y verrons plus clair à la fin de l’année, car nous sommes en train d’affiner l’estimation de la direction », ajoute le physicien.
Encore plus intéressante, la seconde hypothèse avancée par le consortium est celle d’un neutrino cosmogénique. C’est-à-dire issu de l’interaction entre des particules d’ultrahaute énergie (comme celles des jets de quasar) avec le fond diffus cosmologique, une lumière présente partout dans le cosmos, qui est le « flash » originel découlant du Big Bang. Ce serait le premier neutrino du genre jamais détecté.
« Pour l’instant, avec un seul neutrino, on ne peut rien prouver. Ce que la communauté scientifique espère, c’est que ce type de neutrinos soit en fait plus fréquent que ce qu’on pensait ! » lance Roxanne Guénette. En tout cas, les détecteurs sous-marins ont fait la preuve éclatante de leur efficacité. « C’est encourageant, car il y a un autre projet de détecteur de ce type, P-ONE, au large de Vancouver. Ça nous donne vraiment l’espoir de découvrir plus de sources », dit-elle. Et de pouvoir sonder, avec une toute nouvelle approche, l’Univers le plus extrême.
