Une découverte majeure en astrophysique des neutrinos

Un module du télescope KM3NeT durant une opération en mer. Il s’agit d’un des milliers d’yeux de l’instrument pour capter les neutrinos. Crédits : Paschal Coyle, CNRS.

Chaque seconde, des milliers de milliards de neutrinos traversent chacun d’entre nous. Ces particules extrêmement abondantes offrent aux astrophysiciens une nouvelle perspective pour mieux comprendre notre cosmos. Pourtant, malgré leur omniprésence dans l’Univers, les neutrinos interagissent très peu avec la matière, ce qui leur vaut le surnom de “particules fantômes” et les rend particulièrement difficiles à détecter. Messagers cosmiques d’une masse un million de fois plus faible que celle d’un électron, et sans charge, ils voyagent en ligne droite, émis lors d’événements cosmiques d’une extrême violence. En étudiant leur origine, les neutrinos astrophysiques de haute énergie pourraient dévoiler des indices inédits sur des phénomènes cataclysmiques tels que l’explosion d’étoiles ou la formation de trous noirs. 

Pour capter ces particules insaisissables et décrypter les secrets qu’elles recèlent, Gwenhaël Wilberts Dewasseige, professeure à l’UCLouvain, et son équipe exploitent deux télescopes géants d’un kilomètre cube : IceCube, enfoui sous la glace de l’Antarctique, et KM3NeT, immergé au fond de la mer Méditerranée. Grâce à ce dernier, des scientifiques de l’UCLouvain, en collaboration avec une équipe de recherche internationale, ont détecté un neutrino d’une énergie inédite estimée à environ 220 pétaélectronvolts (PeV), soit trente fois supérieure à celle de tous les neutrinos observés jusqu’à présent dans le monde. 

Représentation visuelle du neutrino observé par KM3NeT. Les traits colorés indiquent la lumière captée par les différents ”yeux” de l’instrument, les différentes couleurs indiquant le temps de l’observation (du violet vers le cyan). La ligne blanche est la trajectoire reconstruite traversant le détecteur de la droite vers la gauche. Crédits : KM3NeT.

Cette découverte majeure marque une avancée décisive dans la compréhension des phénomènes énergétiques les plus extrêmes de l’Univers. Son importance est telle qu’elle fait la une de la prestigieuse revue scientifique Nature. 

Ce résultat est le fruit de plusieurs mois de simulations, de calibrations et de vérifications rigoureuses du signal. KM3NeT est un observatoire gigantesque composé de milliers de capteurs de lumière, déployés sur deux sites en Méditerranée : ARCA, spécialisé dans l’astronomie des hautes énergies au large de la Sicile (Italie), et ORCA, dédié aux études de basses énergies près de Toulon (France). 

À plus de 1000 mètres de profondeur, les scientifiques bénéficient d’un environnement unique : une obscurité totale, une eau d’une grande transparence et l’absence de bruit de fond atmosphérique. Des conditions idéales pour observer la lumière Tcherenkov, un phénomène caractéristique de la détection des neutrinos. Grâce à l’ajout progressif de nouvelles lignes de détection, KM3NeT atteindra sa pleine capacité d’ici 2030, ouvrant ainsi la voie à des avancées encore plus spectaculaires dans l’étude des neutrinos et l’exploration des mystères de l’Univers.

Photo d’une ligne de détection de KM3NeT, composée d’une pelote de dix-huit modules, prête à être déployée avec son ancre (en jaune). Crédits : Andrea Simonelli, INFN.

Ce projet de recherche a mobilisé une équipe de cinq scientifiques aux côtés de la Professeure Gwenhaël Wilberts Dewasseige au sein du groupe d’astrophysique des neutrinos de l’UCLouvain : Eliot Genton (Aspirant FNRS), Mathieu Lamoureux (Chargé de recherches FNRS), Jeffrey Lazar (Chargé de recherche FNRS), Jonathan Mauro (Doctorant FRIA) et Per Arne Sevle Myhr (Doctorant BELSPO). 

Pour les jeunes doctorants, cette expérience s’est révélée particulièrement enrichissante. « C’était passionnant de voir une découverte aussi importante au début de ma carrière de chercheur. Toute la collaboration s’est mobilisée pour partager les résultats avec la communauté le plus rapidement possible, et c’était formidable de participer activement à ce processus », témoigne Jonathan Mauro. 

Mais cette avancée scientifique a également incité les chercheurs plus expérimentés à réfléchir à l’avenir des recherches en astrophysique des neutrinos. « Participer aux travaux menés sur les deux télescopes (Antarctique et Méditerranée) permet de tirer parti des complémentarités uniques de ces sites », souligne Mathieu Lamoureux. 
«Dans les années à venir, cette approche sera essentielle pour approfondir notre compréhension de l’origine des neutrinos astrophysiques et des phénomènes qui se produisent au sein des objets les plus extrêmes de notre Univers. »

Photo d’une partie de l’équipe UCLouvain. De gauche à droite : Gwenhaël, Jeff, Karlijn, Mathieu, Jonathan, Eliot et Per.

Article écrit par Eliot Genton et Jeffrey Lazar