Dans l'ombre des étoiles, échos des mondes perdus

Pendant près de 20 ans, le Modèle Standard de la physique des particules élémentaires, comprenant la chromodynamique quantique et la théorie électrofaible de Glashow-Weinberg-Salam, a été accepté comme théorie décrivant toutes les interactions élémentaires, à l'exception de la gravité. Aucune découverte expérimentale convaincante n’a jusqu’à présent nécessité de modification du Modèle Standard actuel. La découverte du boson de Higgs (H), l'origine de la masse, lors des expériences ATLAS et CMS au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) de l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) en 2012, a confirmé l'existence de toutes les particules représentées dans le Modèle Standard actuel des particules élémentaires (voir Figure). Cependant, certaines questions restent sans réponse, telles que la nature de la matière noire, la localisation de l'antimatière après le Big Bang, les trois générations de quarks et de leptons, ainsi que les différences d'échelle de masse entre ces générations. L'une de ces questions est la nature des neutrinos, pour laquelle une physique au-delà du Modèle Standard est nécessaire. 

Lorsque la Fondation Nobel a décerné le Prix Nobel de Physique 2002 à Ray Davis et Masatoshi Koshiba, elle aurait pu choisir de mettre en avant l'une de leurs nombreuses réalisations. R. Davis était devenu célèbre pour avoir détecté des neutrinos provenant du Soleil, les premiers exemples extraterrestres de ces particules insaisissables ; Dr. Koshiba avait détecté d'autres neutrinos provenant de l'explosion de la grande supernova de 1987. Leur travail a contribué à établir que les neutrinos, que les physiciens pensaient avoir une masse nulle, possédaient en réalité une petite masse. Mais la Fondation Nobel a honoré R. Davis et M. Koshiba avant tout pour avoir inauguré une nouvelle discipline scientifique : l'astrophysique des neutrinos.

L'astrophysique des neutrinos est la branche de l'astrophysique qui observe des objets célestes à l'aide de détecteurs de neutrinos, des leptons neutres de faible masse décrits par la théorie électrofaible. Étant donné leur interaction très faible avec la matière, les neutrinos ont la capacité de traverser des distances cosmologiques sans dévier de leur trajectoire initiale, ce qui en fait d'excellents messagers astronomiques pouvant être directement retracés jusqu'à leur lieu de production.

L'observation des neutrinos cosmiques nous permet d'étudier plus en profondeur les mécanismes des phénomènes les plus énergétiques et les plus éloignés de l'Univers. Cependant, la difficulté de détecter ces particules limite actuellement notre capacité à repérer les objets célestes émettant des neutrinos. Avant 2022, seules trois associations de neutrinos avec des objets célestes avaient été établies : le Soleil, la supernova 1987A et la galaxie active TXS0506+056.

Les premières expériences d'observation des neutrinos solaires ont été réalisées en 1967-1968 par les scientifiques Raymond Davis Jr. et John N. Bahcall dans le cadre de l'expérience Homestake. Un détecteur de neutrinos, installé en profondeur à 1 480 mètres pour bloquer le bruit de fond des rayons cosmiques et contenant 610 tonnes de liquide perchloroéthylène (C₂Cl₄), a été utilisé au Laboratoire national de Brookhaven en continu de 1968 à 1973. Les chercheurs ont rapidement remarqué que le nombre de neutrinos détectés était inférieur à celui prédit par la théorie.

En juillet 2018, l'observatoire IceCube a annoncé qu'il avait pu déterminer l'origine d'un neutrino de haute énergie provenant du blazar TXS0506+056, situé à 3,7 milliards d'années-lumière de la Terre. Il s'agit de la première détection ayant permis de localiser un objet dans le ciel et de la première source de neutrinos cosmiques à avoir été identifiée.

En novembre 2022, IceCube a réalisé une autre détection importante de neutrinos, identifiant 79 neutrinos provenant de la galaxie M77, située à seulement 47 millions d'années-lumière. Cette première détection d'un objet peu distant et très étudié devrait servir de référence pour les futures observations et nous permettre d'en apprendre davantage sur le noyau actif de cette galaxie.

Détecteur de Neutrinos

Certains des principaux détecteurs de neutrinos sont DUNE, JUNO, HK, SK, IceCube et KM3NeT. Voici un résumé de ces principaux détecteurs de neutrinos.

Chaque détecteur contribue ainsi à une meilleure compréhension des propriétés des neutrinos, des oscillations, des phénomènes astrophysiques et de la physique fondamentale au-delà du Modèle Standard.