Depuis les années 1930, les neutrinos sont l’un des casse-tête les plus tenaces de la physique contemporaine, au moins autant que la matière noire. Ce sont de minuscules particules produites massivement par le Soleil, les supernovas, les réacteurs nucléaires ou les explosions stellaires, qui bombardent la Terre et nos organismes sans que nous nous en rendions compte.
Omniprésentes, mais insaisissables en raison de leur interaction presque nulle avec la matière, elles traversent tout sans provoquer la moindre perturbation. Pour les étudier, les chercheurs doivent donc s’enterrer profondément et utiliser des détecteurs très spéciaux. Le plus grand au monde vient d’être mis en service sous les montagnes de Kaiping, dans le sud de la Chine : le détecteur JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory), une sphère colossale construite pour surprendre ces particules fuyantes.
Un géant souterrain pour traquer les « particules fantômes »
Le projet JUNO a demandé 10 ans de construction, 350 millions de dollars et 700 chercheurs issus de 17 pays différents pour qu’il aboutisse. Cette sphère de 20 000 tonnes repose profondément sous les montagnes, afin d’être parfaitement isolée du flot de particules venant du cosmos.
Elle renferme un liquide qui scintille lorsqu’un neutrino accepte (très rarement) de le heurter, un petit éclat de lumière que les 40 000 photodétecteurs qui ceinturent sa structure détectent instantanément. Une fois captée, cette lumière livre deux informations : l’énergie exacte du neutrino et l’état quantique dans lequel la particule se trouvait au moment de l’interaction.
Les neutrinos oscillent naturellement entre trois « identités » (appelées « saveurs ») possibles selon une fréquence qui dépend des différences de masse entre ces trois formes. Plus l’écart de masse est important, plus la transition entre identités est rapide et vice versa. En enregistrant des milliers d’interactions, JUNO peut ainsi reconstituer le rythme de ces transformations.
Ce rythme correspond à ce que l’on appelle la hiérarchie des masses des neutrinos : il indique quel neutrino est le plus léger, lequel est intermédiaire et lequel est le plus lourd. Déterminer cette hiérarchie est l’un des défis les plus complexes de la physique actuelle, et JUNO a été construit exactement pour l’établir.
JUNO est en fonctionnement depuis 86 jours à peine, mais ses premières mesures sont déjà si convaincantes qu’il s’impose d’ores et déjà comme une référence mondiale en physique des particules. Les physiciens de l’Université Johannes-Gutenberg de Mayence (Allemagne) ont salué ses performances, en soulignant qu’il détermine les paramètres d’oscillation des neutrinos avec une précision qui dépasse « tous les détecteurs précédents réunis ».
« Atteindre un tel niveau de précision en seulement deux mois montre que JUNO fonctionne exactement comme prévu », affirme Yifang Wang, directeur du projet et voix officielle de l’équipe de recherche. Selon lui, l’observatoire est désormais prêt à évaluer « l’ordre réel des masses des neutrinos, tester la validité du modèle fondé sur leurs trois états [NDLR : les trois saveurs : électron, muon et tau] et à explorer l’existence éventuelle d’une nouvelle physique au-delà du cadre actuel ».
Outre l’élaboration de la hiérarchie des masses, JUNO pourrait nous aider à tourner la page d’une autre énigme : le « problème des neutrinos solaires ». Tous les détecteurs construits jusque-là captaient seulement un tiers des neutrinos en provenance du Soleil, un paradoxe qui a même fait émerger une crainte chez certains physiciens : que notre compréhension de notre propre astre soit erronée. Ce « manque » n’en était pas réellement un, puisqu’il s’agissait uniquement d’un effet d’optique : les neutrinos, lors de leur voyage, changent d’état et deviennent donc indétectables pour les instruments, qui ne captaient qu’un seul type de neutrino. Si JUNO parvient à retracer le parcours complet de ces particules, le problème des neutrinos solaires n’en sera plus un et l’un des débats les plus ardents de la discipline pourra enfin être clos.
- Un immense détecteur chinois vient d’entrer en service pour étudier en détail le comportement des neutrinos, des particules presque impossibles à observer.
- Ses premières mesures sont d’une précision exceptionnelle et permettent déjà d’affiner la manière dont ces particules changent d’identité en voyageant.
- L’instrument pourrait aussi résoudre un vieux paradoxe lié aux neutrinos solaires, longtemps perçu comme une anomalie dans notre compréhension du Soleil.
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