Connaissez-vous les neutrinos ?

Les neutrinos sont des particules de matière neutres qui interviennent dans les réactions nucléaires basées sur l'interaction nucléaire faible, celles responsables de la désintégration bêta dans les noyaux qui chauffe la Terre et celles au coeur des étoiles qui les font briller. Proposés par Fermi et Pauli dans les années 1930 pour sauver la loi de la conservation de l'énergie qui semblait violée dans certains processus, ils sont plus abondants que les photons dans l'Univers. Bien que l'on soit constamment traversé par ces neutrinos, leurs très faibles masses et surtout leur faible constante de couplage avec les autres particules font que l'on ne s'en aperçoit pas car ils interagissent très peu avec la matière, au moins à basses énergies.

À de très grandes énergies, c'est une autre histoire, ils peuvent souffler une étoile. Dans le cadre du modèle standard de la physique des particules, il en existe trois types. Celui des neutrinos dits électroniques est celui qui intervient dans les réactions nucléaires de base décrites par la théorie de Fermi de l'interaction faible.

Le Soleil en produit en grande quantité lors de réactions thermonucléaires variées conduisant à la synthèse de l'hélium. Les explosions d'étoiles, les supernovae, encore plus !

Antoine Kouchner et Stéphane Lavignac retracent l’histoire passionnante du neutrino et nous font découvrir les grandes expériences consacrées à ce messager de l’infiniment grand et de l’infiniment petit dans un livre publié aux éditions Dunod et qu’accompagne cette vidéo de présentation. Antoine Kouchner est professeur à l’université Paris Diderot et directeur du laboratoire AstroParticule et Cosmologie. Il est également responsable scientifique de la collaboration internationale Antares qui exploite le premier télescope sous-marin à neutrinos, dont le successeur, KM3NeT, est en construction en Méditerranée. Stéphane Lavignac est physicien au CNRS et effectue ses recherches à l’Institut de physique théorique de Saclay. Ses travaux portent sur la théorie des particules élémentaires et sur les conséquences des masses des neutrinos en physique des particules et en cosmologie.© DunodVideos

De la désintégration des protons aux oscillations des neutrinos

Maintenant connaissez-vous Super-Kamiokande (Super-K) ?

C'est un détecteur géant contenant 50.000 tonnes d'eau et enfoui sous une montagne à 300 km à l'ouest de Tokyo qui permet la chasse aux neutrinos. À l'origine, une version plus petite était partie à la chasse à la désintégration du proton prédite par la théorie de Georgi-Glashow et ses variantes parmi certaines Théories de Grande Unification, des GUT, unifiant les forces nucléaires et électromagnétiques. Cette version plus petite étant proche au Japon de  la ville de Kamioka, on l'a appelée Kamiokande pour Kamioka Nucleon Decay Experiment.

Un proton dans la théorie de Georgi-Glashow et dans des variantes des GUT a très peu de chances de se désintégrer. Mais si l'on considère un très grand nombre de protons, et donc un grand volume de matière, on peut espérer surprendre quelques désintégrations bien spécifiques en quelques années d'expérience. Avec Kamiokande, on utilisait des tonnes et des tonnes d'eau dans lesquelles une désintégration d'un proton pouvait laisser des traces sous forme d'un rayonnement Cerenkov.

Malheureusement aucune désintégration de nucléons, en l'occurrence et très exactement de protons, n'a été découverte dans Kamiokande ni sa version agrandie, Super-K. À la place, les chercheurs ont détecté des neutrinos produits par l'explosion de l'étoile Sanduleak, la fameuse supernova du Grand Nuage de Magellan, SN 1987A. En 1998, les membres de la collaboration Super-Kamiokande menée par Masatoshi Koshiba (né en 1926) ont finalement annoncé qu'ils avaient mis en évidence le phénomène d'oscillation des neutrinos, ce qui permettait d'expliquer le mystérieux déficit des neutrinos solaires.

Super-Kamiokande a débuté ses observations le 1er avril 1996 et a marqué le 30e anniversaire du commencement de ses activités en 2026.Ce film retrace les 30 années d'histoire de Super-Kamiokande tout en mettant en lumière les défis actuels qui continuent de repousser les frontières de la recherche sur les neutrinos. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Observatoire de Kamioka, Institut de recherche sur les rayons cosmiques, Université de Tokyo

Un fond diffus de neutrinos de supernovae

Une nouvelle page de la saga de l'astronomie neutrinos semble s'ouvrir aujourd'hui si l'on en croit des résultats présentés le 25 juin 2026 lors de la conférence « Neutrino 2026 » (XXXII^e Conférence internationale sur la physique des neutrinos et l'astrophysique), organisée à l'Université de Californie à Irvine (États-Unis).

Pour la toute première fois, la collaboration Super-Kamiokande, groupe de collaboration internationale réunissant environ 250 chercheurs issus de 60 universités et instituts de recherche, pense avoir des indices de l'existence du fond diffus de neutrinos de supernovae (DSNB, pour « Diffuse Supernova Neutrino Background » en anglais).

Ce fond était prévu de longue date, d'autant plus que l'observation en 1987 du flux de neutrinos intense de la supernova SN 1987A soutenait bien l'idée que chaque fois qu'une supernova à effondrement de cœur de type N II s'est produite quelque part et dans le passé du cosmos observable elle a produit une explosion de neutrinos.

À travers l'Univers, des explosions de supernovas se produisent plusieurs fois par seconde. Depuis la naissance de l'Univers, les neutrinos émis par ces supernovas se sont diffusés dans l'espace et se sont accumulés au fil du temps cosmique. © Observatoire de Kamioka, Institut de recherche sur les rayons cosmiques, Université de Tokyo

On devait donc observer aujourd'hui un flux cumulé de neutrinos issus d'une multitude de supernovas survenues au fil du temps, flux cumulé qui est un peu comme la superposition des ondes sphériques à la surface d'une étang, produites par l'impact de gouttes de pluie.

Comme l'explique un communiqué de l'Université de Tohoku  « La détection du DSNB fournirait un moyen d'observation décisif pour reconstituer quantitativement l'histoire de la nucléosynthèse et de la formation des étoiles dans l'Univers, ainsi que pour tester les modèles théoriques », communiqué qui précise cependant que « La significativité statistique de l'excès de signal observé était de 2,6 sigmas (niveau de confiance de 99,5 %). Bien que ce signal ne puisse être attribué à une simple fluctuation aléatoire, il n'atteint pas encore le seuil requis pour une découverte formelle (5 sigmas ou plus) ; il est donc qualifié, pour l'heure, d'indice plutôt que de détection avérée ».