Détection record : un neutrino ultra-énergétique ouvre une nouvelle ère en astrophysique

Le 13 février 2023, un neutrino d'une énergie record a été détecté par KM3NeT, un télescope immergé en Méditerranée. Publiée dans Nature le 12 février 2025, cette découverte marque une avancée majeure dans l'astronomie neutrino et l'étude des phénomènes cosmiques les plus extrêmes : trous noirs, sursauts gamma et rayons cosmiques ultra-énergétiques.

(Image : l'impact du neutrino avec un noyau d'atome produit un muon très énergétique. En se déplaçant plus vite que la vitesse de la lumière dans l'eau, celui-ci engendre un cône de lumière bleue détectée par les capteurs photosensibles du télescope.)

220 millions de milliards d'électrons-volts, ou encore 220 petaélectronvolts ! C’est l’énergie considérable que transportait un seul neutrino le 13 février 2023, lorsqu’il a été détecté par l'instrument Kilomètre cube (KM3NeT), immergé au large de la Sicile. C’est 30 fois plus que les neutrinos les plus énergétiques enregistrés jusqu’ici. La découverte, fruit d’une vaste collaboration internationale réunissant 350 scientifiques issus de 68 laboratoires, fait l’objet d’une publication dans la revue Nature le 12 février 2025.

Une traque de deux ans pour confirmer l’événement

Il aura donc fallu deux ans de travail pour identifier à coup sûr le passage de cette fugace particule, et mesurer son énergie. Evidemment, à notre échelle, 220 PeV, c’est l’énergie d’une balle de tennis à 4 km/h. Mais la masse d’une balle est d’environ 57 grammes. Alors que celle d’un neutrino est au moins un million de fois plus faible que celle d’un électron, déjà pas bien grosse (9,1*10^-31 kg). Qu’une particule aussi infime puisse transporter autant d’énergie est donc bien un événement.

"KM3NeT a commencé à sonder une gamme d’énergie et de sensibilité où les neutrinos détectés pourraient provenir de phénomènes astrophysiques extrêmes, commente dans un communiqué Paschal Coyle, porte-parole de KM3NeT, et chercheur au Centre de Physique des Particules de Marseille (CNRS). Cette première détection d’un neutrino de plusieurs centaines de PeV ouvre un nouveau chapitre dans l’astronomie des neutrinos et une nouvelle fenêtre d’observation sur l’Univers".

Pourquoi chercher des neutrinos au fond de l'eau ?

Bien que les neutrinos soient les particules les plus abondantes derrière les photons, leur faible interaction avec la matière rend leur détection difficile. Il faut des instruments gigantesques comme KM3NeT, qui n’est pas encore achevé, pour y parvenir. Le réseau de capteurs occupera un volume de l’ordre de kilomètre-cube, immergé par 3450 mètres de profondeur en Méditerranée. KM3NeT comprend un autre détecteur, ORCA, également en cours d’assemblage à 2450 mètres de profondeur au large de Toulon. Mais pourquoi aller chercher des neutrinos au fond de l’eau ? Parce que leur détection n’est pas directe et nécessite de ruser.

Lorsque par le plus grand des hasards (c’est le cas de le dire car les collisions sont très rares), un neutrino heurte un noyau d’atome, il produit un muon, une autre particule élémentaire. Si l’énergie du neutrino est suffisante, le muon est propulsé à très grande vitesse, dépassant celle de lumière dans l’eau (mais pas la vitesse de la lumière dans le vide, indépassable). Le muon supraluminique engendre alors un effet Cherenkov, une émission de lumière bleutée analogue au "bang" supersonique, mais dans l’optique. C’est cette lumière que vont capter les détecteurs de KM3NeT. Ensuite, tout est question de calculs…"Pour déterminer la direction et l’énergie de ce neutrino, il a fallu un calibrage précis du télescope et des algorithmes sophistiqués de reconstruction de trajectoire", détaille Aart Heijboer, responsable physique et logiciel de KM3NeT, et chercheur à l’Institut national de physique subatomique Nikhef, aux Pays-Bas.

Sur la piste d'un neutrino extragalactique

Cette détection a été réalisée avec seulement un dixième de la configuration finale du détecteur, ce qui est très encourageant pour la suite. L’astrophysique attend en effet beaucoup de ces messagers particuliers. Les neutrinos de très haute énergie sont produits par certains des phénomènes les plus violents de l’Univers, des "accélérateurs cosmiques naturels". Par exemple, les trous noirs supermassifs au centre des galaxies qui émettent des jets de particules, les sursauts gamma (GRB) résultant de la formation de trous noirs ou d’étoiles à neutrons, ou encore l’effondrement d’étoiles massives de type supernovæ…

Plus extraordinaire encore, ces neutrinos pourraient jaillir de collisions entre des rayons cosmiques (composés de noyaux d’atomes) très énergétiques et des photons issus du fond diffus cosmologique, la toute première lumière de l’Univers émise 380.000 ans après le Big Bang. Pour l’heure, avec un seul neutrino, les chercheurs ne peuvent pas encore conclure quant à son origine. Seul indice : sa direction indiquerait qu’il ne vient pas de notre galaxie, mais d’au-delà. Avec KM3NeT, c’est bien une nouvelle fenêtre d’observation des phénomènes extrêmes qui s’ouvre sur l’Univers...