Prix Nobel en physique: Réaction d’un astrophysicien du Luxembourg

Francis Halzen a reçu le prix Nobel de physique  « pour ses contributions décisives à l’observatoire de neutrinos IceCube et à la découverte de neutrinos de haute énergie d’origine astrophysique », a expliqué le comité Nobel, réuni à Stockholm.

À gauche: Illustration de Francis Halzen (Ill. Niklas Elmehed © Nobel Prize Outreach); à droite: illustration d'un neutrino (en bleu), et d'autre messagers cosmiques comme par exemple le proton (en rouge) (© Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences).

Il s’agit d’une idée originale qui a jeté les bases d’un tout nouveau type d’astronomie : utiliser la glace cristalline des profondeurs du pôle Sud comme un gigantesque détecteur de neutrinos. Le résultat, l’observatoire de neutrinos IceCube, est un kilomètre cube de glace parsemé de milliers de capteurs de lumière, à l’affût de faibles éclairs bleus laissés par les neutrinos à haute énergie qui ont traversé le cosmos.

Des études de neutrinos ont permis aux physiciens de confirmer leurs modèles des processus qui se déroulent à l'intérieur du Soleil et de ce qui se passe au cœur d'une supernova. L'objectif d'IceCube est de faire passer l'astronomie des neutrinos à un niveau supérieur.

Schéma du détecteur de neutrinos IceCube (© Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences)

Nous avons discuté avec l’astrophysicien Guillaume Trap de la portée de cette découverte et de ce que l’astronomie des neutrinos pourrait nous révéler à l’avenir. Guillaume Trap, Program Leader Science & Education à la Fondation Jeunes Scientifiques Luxembourg, a consacré sa thèse doctorale au trou noir massif situé au centre de notre galaxie. Il travaillait dans un laboratoire d’astroparticules, à une époque où le détecteur de neutrinos IceCube était encore en construction. Il revient sur cette période et partage son regard sur le domaine scientifique aujourd’hui récompensé par le prix Nobel.

Pourquoi étudie-t-on des particules provenant du Cosmos comme les neutrinos ?

Guillaume Trap: Depuis les années 1970, beaucoup de physiciens des particules se sont tournés vers le Cosmos afin de pouvoir étudier les particules fondamentales (dont le mystérieux neutrino) avec des énergies bien supérieures à celle que les modestes accélérateurs terrestres comme le CERN sont à même de produire. Dans le même temps, ces physiciens se sont aperçus que tous ces rayons cosmiques (ou astroparticules) qui bombardent la Terre en permanence pouvaient aussi être utilisés pour étudier l’Univers avec d’autres sources que la lumière, c’est ce que l’on appelle l’astronomie multimessager. Les neutrinos tiennent une place privilégiée dans cette nouvelle astrophysique car ils sont électriquement neutres, ce qui les rend insensibles aux champs magnétiques cosmiques et donc leur permettent de voyager en ligne droite depuis leurs sources jusqu’à nos détecteurs... De plus, ils sont très peu absorbés sur leurs trajets, si bien qu’on a pu construire des images de certaines portions du ciel inédites, comme le coeur du Soleil, entièrement avec des neutrinos.

À votre avis, quelle est l’importance des travaux du lauréat du prix Nobel ?

Guillaume Trap: Dans les années 2010, on se demandait encore d’où venaient les rayons cosmiques d’ultra-haute énergie. Avec IceCube, ils ont obtenu la première détection d’un neutrino à très haute énergie dont on pouvait identifier la source. C’était en 2018. Ils ont pu l’associer à une source observable avec de la lumière : un noyau actif de galaxie, c.à.dire un trou noir supermassif qui propulse un « jet » de matière à des vitesses proches de celle de la lumière. Et ils en ont d'autres quelques années plus tard. C’était soupçonné depuis longtemps, et la quantité de détections de ce type reste faible, mais ils sont les premiers à avoir pu dire : on a une preuve, ou au moins un indice très fort.

Quels sont les différents types d’astroparticules ?

Guillaume Trap: D’abord, il y a les rayons gamma – c’était aussi la spécialité de l’équipe où j’ai fait ma thèse. Techniquement, il est vrai que les rayons gamma sont des grains de lumière et non pas de matière, mais les méthodes utilisées pour les détecter relèvent plus de la physique des particules que de l’astrophysique classique. Et puis les modes de production de ces rayons sont très liés à l’accélérations de particules de matière, souvent chargées électriquement. Pour ce qui de ces dernières justement - et ce sont les plus abondantes des astroparticules - le ciel nous envoie constamment des électrons, des protons, des particules alpha, voire des choses plus exotiques. Mais toutes ces ‘bestioles’ sont sensibles au champ magnétique terrestre et galactique, ce qui les dévie et gomme leur provenance. C’est ainsi que subsiste encore de nombreux mystères quant à l’origine précise de toutes les composantes du rayonnement cosmique sous forme d’astroparticules. Quant aux neutrinos – les petits neutres – comme on la dit plus haut, ils permettent de construire des images du ciel de régions profondes, mais plus on monte en énergie et moins il y en a...

Les différents types de particules du cosmos © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Mais ça vaut le coup ! C’est déjà le cinquième prix Nobel pour ce domaine de recherche.

Guillaume Trap: Oui, la recherche sur les neutrinos, c’est une longue et riche histoire. Il y a d’abord eu des prix Nobel en physique pour la découverte des différentes variétés de neutrinos et leur étrange capacité à osciller d’une variété à une autre. Puis ce sont des découvertes de neutrinos en provenance du cosmos qui ont été récompensées par ce prix suprême : les neutrinos solaires, ensuite les neutrinos relâchés par la fameuse explosion d’une supernova dans le nuage de Magellan en 1987, et enfin la découverte plus récente par Halzen & co des neutrinos d’ultra haute énergie en provenance de noyaux actifs de galaxie dont les moteurs sont des trous noirs supermassifs.

Quel est le lien entre ce domaine de recherche et votre thèse doctorale ?

Guillaume Trap: Pendant ma thèse doctorale, j’étudiais l’activité en rayons gamma, X et infrarouge du trou noir au centre de notre galaxie. Mais je dois dire qu’il est très faiblement actif comparé aux blazars mentionnés plus haut – heureusement pour nous d’ailleurs ; il n’est jamais très bon pour des êtres vivants de se trouver dans un puissant jet de particules ionisantes !

Je côtoyais néanmoins quotidiennement des spécialistes de neutrinos cosmiques, notamment de la collaboration Antarès, qui exploitait alors des détecteurs au fond de la mer Méditerranée, au large de Toulon. Quant à Francis Halzen, il se trouve que j’ai eu la chance d’assister à une de ses communications lors d’une conférence de commémoration de la découverte des rayons cosmiques à côté de Berlin en 2012 ; là même où Viktor Hess avait effectué des vols en ballon un siècle auparavant qui avaient prouvé l’existence des rayons cosmiques. A l'époque, en 2012, la construction d’IceCube venait de s’achever et les détecteurs commençaient à prendre des données. Je me souviens qu’ils avaient déjà détecté quelques ‘candidats’ neutrinos d'énergie respectable... Je ne me doutais pas alors que je vivais peut-être un moment historique. C’est souvent le cas en physique fondamentale de nos jours, il ne faut pas imaginer des moments ‘Eureka’ comme Archimède dans son bain, mais plutôt de lentes révolutions au cours des desquelles les preuves s’accumulent petit à petit... Ce qui explique que les prix Nobel tombent souvent en toute fin de carrière, comme pour Halzen !

Plus d’infos sur le sujet du Prix Nobel en physique sur la page internet dédiée du Prix Nobel.

Questions: Michèle Weber (FNR)
Rédaction: Guillaume Trap (FJSL), Michèle Weber (FNR)
Éditeur: Jean-Paul Bertemes (FNR)