Après les photons, les neutrinos sont les particules les plus abondantes de l’Univers. Mais quels secrets nous livrent-ils sur l’origine de la matière et du Cosmos? Cette question est au cœur de Neutrinos – The Ghost Particle, à voir jusqu’au 2 avril à la Salle d’exposition de l’UNIGE au 66, bd Carl-Vogt. Organisée par le Département de physique nucléaire et corpusculaire (Faculté des sciences), l’exposition invite le public à plonger dans un univers invisible entre science de pointe, technologies hors normes et poésie cosmique.

«On dit du neutrino qu’il est une ‘particule fantôme’ parce qu’il n’interagit pas – ou presque – avec le reste de la matière, relève le professeur Federico Sanchez Nieto, commissaire de l’exposition. Il pourrait passer à travers des millions de planètes Terre les unes après les autres sans entrer en collision avec un seul atome. Pour espérer en détecter un seul, il faut donc produire un nombre gigantesque de neutrinos, de l’ordre de milliards de milliards, et placer sur leur trajectoire d’énormes détecteurs.»

Le Super-Kamiokande en est un exemple emblématique. Enfoui à 1000 mètres de profondeur dans une ancienne mine de zinc au Japon, ce réservoir cylindrique de 39 mètres de diamètre et de 41 mètres de hauteur est rempli de 50’000 tonnes d’eau ultra-pure. Ce volume, équivalent à 20 piscines olympiques, constitue la cible du détecteur dans laquelle des neutrinos percutent de temps en temps un noyau atomique. Onze mille tubes photomultiplicateurs, des dispositifs extrêmement sensibles capables de transformer les minuscules éclats de lumière produits par le choc des particules en signaux électriques mesurables, tapissent ses parois.

De Tokai à Kamioka

L’exposition présente en détail ce géant technologique et l’expérience T2K au Japon, qui s’étend de Tokai, au nord-est de Tokyo, jusqu’à Kamioka, dans les montagnes à 300 kilomètres plus à l’ouest. Une grande carte au centre de l’exposition, représentant une coupe du Japon, montre le trajet des particules, de leur production jusqu’à leur cible, ainsi que les événements et transformations qu’elles subissent au cours de leur voyage à travers la croûte terrestre. Des modules interactifs permettent d’explorer chaque étape de ce périple scientifique.

Les neutrinos sont d’abord produits par l’accélérateur de particules de Tokai, puis envoyés en ligne droite à travers la croûte terrestre vers Kamioka. «Le faisceau de neutrinos est mesuré 2 fois: d’abord par un détecteur proche de la sortie de l’accélérateur de particules, ensuite 300 kilomètres plus loin, par le Super-Kamiokande», explique le physicien. Ces deux instruments ne captent qu’une infime fraction du faisceau de neutrinos, correspondant aux rares particules qui entrent par hasard en collision avec un atome des détecteurs.

Au-delà de la simple observation, ces mesures ont conduit à une découverte majeure. La comparaison des résultats des deux détecteurs révèle en effet que certains neutrinos changent d’identité durant leur trajet: ils se transforment d’un type en un autre. Ce phénomène appelé «oscillation des neutrinos» a été mesuré pour la première fois par le détecteur Super-Kamiokande grâce à l’analyse de neutrinos atmosphériques. Cette découverte a apporté la preuve que les neutrinos possèdent une masse non nulle, contrairement à ce que l’on supposait jusque-là. Ce qui a bouleversé la physique moderne et valu un Prix Nobel de physique en 2015 à son auteur, le physicien japonais Takaaki Kajita.

Beauté scientifique

«Cela fait plus de vingt ans que je travaille avec mes collègues japonais, raconte le spécialiste de la physique des particules. Cette coopération intense a conduit à des résultats scientifiques remarquables. D’une certaine manière, l’exposition est un hommage personnel à des expériences qui ont occupé l’essentiel de ma vie scientifique. Mais elle reflète aussi une conviction profonde: la science est accessible, et profondément esthétique. Les expériences sur les neutrinos possèdent une beauté scientifique évidente, celle de la description ultime de la nature à travers les mathématiques, mais aussi une dimension esthétique qui méritait d’être mise en valeur.»

Cette volonté de rendre la science tangible se retrouve dans les dispositifs proposés au public, qui peut découvrir les détecteurs japonais en trois dimensions, consulter les mesures de l’expérience T2K, visualiser les trajectoires des particules à travers les détecteurs ou encore suivre en temps réel l’activité de l’accélérateur. Un détecteur de taille réduite permet également d’observer en direct les particules de l’atmosphère terrestre qui le traversent.

Vers un futur monumental

Si ces recherches ont déjà transformé la compréhension de l’Univers, elles sont loin d’être terminées. Afin d’améliorer la précision des mesures, un détecteur encore plus grand, l’Hyper-Kamiokande, est actuellement en construction. Il devrait repérer 20 fois plus de neutrinos que le Super-Kamiokande et entrer en fonction en 2028. Cet instrument prendra la forme d’un cylindre de 70 mètres de diamètre et 70 mètres de hauteur, contenant 260’000 tonnes d’eau et entouré de 40’000 tubes photomultiplicateurs. Véritable cathédrale souterraine dédiée à la recherche, il ambitionne d’élucider certaines des plus grandes énigmes de la physique moderne: l’origine de la matière dans l’Univers, l’asymétrie entre matière et antimatière ou encore l’unification des interactions fondamentales: l’électromagnétique, la faible et la forte.