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Les neutrinos, messagers clandestins du cosmos

Mis à jour le jeudi 16 décembre 1999

POUR OBSERVER l'Univers, astronomes, physiciens et cosmologistes font appel aux seuls messagers dont ils disposent : les grains de lumière que sont les photons. Lumières visible, infrarouge ou ultraviolette, ondes radios, rayons gamma ou X : tout ce spectre est à la disposition des chercheurs pour recueillir de l'information sur les nuages de gaz, les étoiles, les galaxies, les objets les plus exotiques et les phénomènes dont ils sont le siège.

Cette profusion de moyens a ses limites. « S'il est possible d'observer des objets très lointains dans le domaine optique, il est impossible en revanche d'étudier les rayonnements gamma très énergiques qu'ils émettent car l'Univers leur est opaque », explique François Montanet du Centre de physique des particules de Marseille (IN2P3/CNRS-Université de la Méditerranée). Il faut donc « se tourner vers d'autres outils. En particulier vers le plus singulier d'entre eux, le neutrino ». Ces particules, difficiles à apprivoiser, dont le Laboratoire européen pour la physique des particules de Genève (CERN) a établi de manière certaine en 1989 qu'il en existait trois espèces - neutrino-électron, neutrino-muon et neutrino-tau - ont des propriétés telles qu'elles sont les dépositaires d'un grand nombre de secrets.

Imaginé en 1930 par Wolfgang Pauli qui le qualifiait de « solution du désespoir » pour étayer ses travaux théoriques, le neutrino fut utilisé avec bonheur par Enrico Fermi pour expliquer l'une des quatre grandes forces de l'Univers, l'interaction faible. Mais ce n'est qu'en 1953 que Frederick Reines (Prix Nobel de physique 1995) et Clyde Cowan, qui participaient à l'élaboration des bombes A et H américaines, purent apporter la preuve de son existence dans les flux de particules émises par le réacteur nucléaire de Savannah River.

DÉPOSITAIRES D'INFORMATIONS

Particules fantômes, les neutrinos échappent facilement à l'observation. Tout d'abord ils n'ont pas de masse, ou plutôt une masse si faible qu'on n'a pas encore réussi à la mesurer. Ensuite, ils sont neutres et donc insensibles aux champs électromagnétiques. De ce fait, ils interagissent peu avec la matière (sur 100 000 milliards de neutrinos qui traversent la Terre de part en part, un seul sera arrêté). Enfin, leur nombre dans l'Univers est si grand - plusieurs milliards pour chaque proton - que leur rôle ne peut y être négligeable.

Du fait de ces propriétés, les neutrinos sont les dépositaires d'informations sur le fonctionnement interne des astres. En effet, leur faible capacité à interagir avec la matière leur permet de s'échapper du cour des étoiles, et donc de la première d'entre elles, le Soleil, sans en être autrement affectés. Parce qu'ils sont neutres, ils se jouent des champs magnétiques qui existent entre les galaxies et suivent donc des trajectoires rectilignes qu'on espère remonter jusqu'aux phénomènes ou aux objets qui leur ont donné naissance pour mieux les comprendre. Mais les traquer n'est pas à la portée du premier venu. A ce jour, n'ont été vraiment observés que certains types de neutrinos. D'abord ceux, très terrestres, issus de la désintégration radiaoctive de certains éléments comme l'uranium. Ensuite ceux produits par les réactions thermonucléaires du Soleil.

L'expérience Gallex, installée dans le Laboratoire souterrain du Gran Sasso (Italie), a confirmé en juin 1992, après les autres expériences - moins sensibles - Davis (américaine), Kamiokande (japonaise) et Sage (russe), que notre étoile présentait un lourd déficit en neutrinos par rapport aux modèles théoriques. La cause en est aujourd'hui connue. Elle serait due à un étonnant processus, l'oscillation des neutrinos, qui permet à ces particules de jouer les Houdini et de prendre les habits d'un autre neutrino. Ce phénomène confirmé récemment par les Japonais de Superkamiokande donne à cette particule une masse qu'elle n'était pas censée avoir. Les conséquences pour la cosmologie et la physique théorique sont énormes.

BOUFFÉES DE RAYONS

Outre ces neutrinos solaires et terrestres, les physiciens et les astronomes s'intéressent de plus en plus aux neutrinos de très haute énergie. Ceux qui sont directement issus des processus les plus violents de l'Univers et dont ils espèrent extraire l'information pour mieux comprendre des phénomènes auxquels ils n'ont pas aujourd'hui accès : trous noirs, explosions d'étoiles, noyaux actifs de galaxies, annihilation d'objets massifs ; ou structures imaginées par les théoriciens mais non encore observées comme les monopôles, les cordes ou les membranes.

C'est pourquoi se développe aujourd'hui l'astronomie des neutrinos qui, grâce à des télescopes appropriés, permettra de sonder profondément le ciel et de tester les modèles physiques inaccessibles en énergie aux plus grands accélérateurs de particules. Reproduire sur Terre les conditions d'explosion d'une étoile massive n'est pas imaginable. Mais l'observation des neutrinos de haute énergie qu'un tel événement produit permet d'y accéder. En février 1987, ce sont ces particules qui ont joué le rôle de messager et informé les observatoires de l'explosion d'une supernova dans le nuage de Magellan.

De même, ce sont eux qui, de manière indirecte, pourraient nous permettre de remonter à l'origine de certaines bouffées de rayons cosmiques d'une énergie incroyable qu'on observe sur Terre. Dès lors, l'observation de ces neutrinos permettrait de remonter à la source des événements qui les ont créés. C'est la raison de la construction de deux observatoires des très hautes énergies : l'américain Amanda, installé dans les glaces de l'Antarctique et auquel participent des Suédois, des Belges et des Allemands, et l'européen Antares, immergé dans les eaux de la Méditerranée.

Jean-François Augereau


Les « briques » élémentaires de l'Univers

Comme toutes les constructions, l'Univers est une structure à la fois simple et complexe faite de « briques » et de « ciment ». Les plus célèbres de ces briques portent le nom de quarks, en hommage au romancier irlandais James Joyce, inventeur de ce mot dans son roman Finnegan's Wake. Inobservables individuellement, les quarks, au nombre de six, sont des particules qui, tel un jeu de Lego, permettent d'en créer un certain nombre d'autres moins élémentaires comme les mésons et les baryons (les protons et les neutrons), éléments de base des atomes.

Ces six quarks sont regroupés en trois familles de deux associées chacune à deux autres particules connues sous le nom de leptons : électron et neutrino-électron ; muon et neutrino-muon ; tau et neutrino-tau. Quatre forces fondamentales, le ciment, permettent de les lier plus ou moins étroitement. Il s'agit de l'interaction électromagnétique, de l'interaction faible, de l'interaction forte et de la gravitation.



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