Éditorial du printemps 2026 : "Le neutrino : une particule insaisissable au cœur de l’astrophysique moderne" par Trinh Xuan Thuan

Le neutrino : une particule insaisissable au cœur de l’astrophysique moderne

Trinh Xuan Thuan
Professeur émérite d’astronomie 
Université de Virginie

Le neutrino est l’une des particules les plus fascinantes et mystérieuses de la physique des particules. Invisible, presque sans masse et interagissant extrêmement peu avec la matière, il traverse l’univers presque sans laisser de trace. Pourtant, malgré son caractère insaisissable, le neutrino joue un rôle fondamental dans la compréhension des lois de la nature, de l’évolution des étoiles et de la structure du cosmos.

Pauli et l’invention du neutrino

Au début du XX^e siècle, la physique des particules connaît une période de bouleversements profonds, marquée par l’avènement de la mécanique quantique et la découverte de nouvelles particules. Dans ce contexte d’exploration intense, un problème majeur apparaît dans l’étude de la « désintégration bêta », un type de désintégration radioactive où un noyau atomique instable se mue en un autre noyau en émettant un électron (ou son anti-particule, le positron). Les expériences montrent que l’énergie des particules émises dans la désintégration bêta ne correspond pas aux attentes théoriques : une partie de l’énergie semble manquer. Cette anomalie remet en cause un principe fondamental de la physique, celui de la conservation de l’énergie, pilier de toute description scientifique du monde naturel.

Face à cette crise, le jeune physicien autrichien Wolfgang Pauli (1900-1958) propose en 1930 une hypothèse audacieuse. Plutôt que d’abandonner le principe sacro-saint de conservation de l’énergie, il propose l’existence d’une particule encore inconnue, émise en même temps que les autres produits de la désintégration. Cette particule, invisible et extrêmement difficile à détecter, aurait une énergie de mouvement précisément égale à l’énergie manquante. Pauli postule qu’elle est électriquement neutre et sans masse (ou très légère), ce qui expliquerait pourquoi elle a échappé aux instruments expérimentaux de l’époque. Elle voyagerait à la vitesse de la lumière. Cette proposition est remarquable : elle repose sur une conviction théorique forte plutôt que sur une observation directe. Quelques années plus tard, le physicien italien Enrico Fermi (1901-1954) développe une théorie complète de la désintégration bêta en intégrant cette nouvelle particule. Il lui donne le nom de « neutrino », signifiant « petit neutre » en italien. Pour rappeler que la particule n’avait pas de charge électrique, tout comme le neutron découvert en 1932. Mais aussi pour la différencier du neutron, beaucoup plus massif puisque possédant environ 2000 fois la masse de l’électron. Grâce à cette formalisation, l’idée de Pauli s’inscrit dans un cadre mathématique cohérent et devient un élément central de la physique des particules.

Cependant, le neutrino est resté longtemps une entité hypothétique, une sorte de particule « fantôme ». Sa détection représente en effet un défi immense, car il interagit très faiblement avec la matière. Il faut attendre 1956 pour que des expériences conduites par les physiciens américains Frederick Reines (1918-1998) et Clyde Cowan (1919-1974), utilisant un réacteur nucléaire comme source de neutrinos, confirment finalement son existence. Ce travail a été récompensé par le prix Nobel de physique en 1995. Cette validation expérimentale constitue un triomphe pour l’intuition de Pauli et pour l’approche théorique en physique, montrant que des particules peuvent être postulées avant même d’être observées. Ainsi, l’histoire du neutrino illustre de manière exemplaire la dynamique de la science : un problème expérimental conduit à une hypothèse théorique audacieuse, qui est ensuite confirmée par l’expérience. Elle montre également l’importance de la confiance dans les principes fondamentaux, comme la conservation de l’énergie, capables de guider les physiciens vers des découvertes majeures. 

Les neutrinos jouent un rôle crucial dans plusieurs domaines scientifiques importants : la physique du Soleil, l’astrophysique des supernovæ associées à la mort explosive des étoiles massives, et l’évolution de l’univers. Parmi tous les messagers cosmiques qui nous apportent de précieuses informations sur le cosmos – la lumière, les ondes gravitationnelles, les rayons cosmiques et les neutrinos – ces derniers occupent une place singulière en raison de leur capacité à traverser la matière presque sans interaction.

Les neutrinos solaires : une fenêtre directe sur le cœur du Soleil

La source cosmique de neutrinos la plus proche est le Soleil. Les neutrinos solaires, produits au cœur du Soleil lors des réactions de fusion thermonucléaire, constituent ainsi une sonde unique des processus physiques qui se déroulent dans les régions centrales de notre étoile. Leur étude a non seulement permis de tester les modèles stellaires, mais a également conduit à une découverte majeure en physique des particules : l’existence de ce qu’on appelle les « oscillations » de neutrinos, révélant une physique nouvelle qui va au-delà du modèle standard des particules élémentaires. 

L’énergie du Soleil, comme celle de toutes les étoiles, provient principalement de la fusion nucléaire. Au cœur de notre astre, les protons (des noyaux d’hydrogène) s’assemblent quatre par quatre pour former des noyaux d’hélium, en libérant de l’énergie sous forme de photons, de positrons et de neutrinos. Contrairement aux photons (les particules de lumière) qui subissent de multiples interactions électromagnétiques avec les particules de matière et mettent des milliers d’années pour zigzaguer du cœur du Soleil à sa surface, les neutrinos solaires s’échappent en ligne droite presque immédiatement dans l’espace, quelques secondes après leur naissance. Voyageant à une vitesse proche de celle de la lumière, ils franchissent la distance Soleil-Terre en un peu plus de huit minutes, offrant aux humains un film direct et en temps réel des conditions thermodynamiques du cœur de notre astre. 

Mais comment détecter ces neutrinos solaires ? La tâche n’est pas des plus aisées. La principale difficulté réside dans la nature même des neutrinos. Ils ne sont sujets qu’à la force faible, mais pas à la force électromagnétique, la force forte et la force de gravité, ce qui signifie qu’ils interagissent très peu avec la matière ordinaire. Pour preuve, songez qu’à chaque seconde, des millions de milliards de neutrinos traversent votre corps, constitué de matière ordinaire, sans laisser aucune trace et sans que vous en soyez conscients. Alors qu’il suffit d’une épaisseur de plomb d’un centimètre pour stopper un rayon X, il faudrait une épaisseur de plomb plus grande qu’une année-lumière pour arrêter un neutrino ! Mais les physiciens n’ont pas baissé les bras. Ils ont construit de gigantesques détecteurs de neutrinos, chacun contenant un énorme volume de matière liquide sous forme d’eau, de glace, etc. L’idée était que, même si les interactions des neutrinos avec la matière ordinaire étaient très rares, elles étaient non nulles. De temps à autre, un neutrino interagit avec un noyau atomique ou un électron dans le détecteur, produisant des particules secondaires qui, elles, laissent un signal mesurable. Pour maximiser les chances de détection, il faut utiliser une quantité de matière liquide aussi grande que possible (des centaines voire des milliers de tonnes) car plus le volume du liquide est grand, et plus la chance d’interaction avec les neutrinos est élevée.
 
Dans les années 1960, le physicien américain Raymond Davis Jr. (1914-2006) met en place la première expérience majeure de détection de neutrinos solaires. Il installe son détecteur dans la mine de Homestake dans le Dakota du Sud aux États-Unis. Le détecteur est mis sous terre afin de minimiser les parasites causés par les rayons cosmiques, arrêtés par l’écorce terrestre. L’idée de Davis repose sur une réaction nucléaire induite par les neutrinos : un neutrino interagit avec un atome de chlore-37 pour produire un atome d’argon-37. Le détecteur de Davis consiste donc en un immense réservoir contenant environ 600 tonnes de perchloroéthylène (un liquide riche en chlore, utilisé dans le nettoyage à sec). Malgré la taille gigantesque du réservoir, le taux d’interaction des neutrinos solaires avec les atomes de chlore reste très faible : seulement quelques atomes d’argon-37 sont produits par semaine, comparés aux milliards de neutrinos qui traversent le détecteur sans interaction. Davis devait donc purger le réservoir tous les quelques jours, extraire les atomes d’argon-37 et les compter avec une précision extrême pour connaître le nombre de neutrinos solaires qui ont été capturés dans son détecteur.

La détection de neutrinos solaires constitue une preuve directe que la fusion nucléaire est responsable de l’énergie du Soleil. Pour cet exploit expérimental, Davis a été récompensé par le prix Nobel de physique en 2002. Cependant, tout n’est pas pour le mieux dans le meilleur des mondes. Les résultats montrèrent un déficit inattendu : seulement environ un tiers du nombre des neutrinos prédits par les modèles du Soleil était détecté. Ce désaccord fut appelé le « problème des neutrinos solaires ». Il a longtemps suscité un débat passionné entre deux interprétations possibles : soit nous avons une mauvaise compréhension de la physique du Soleil, soit les neutrinos possèdent des propriétés inconnues. Les progrès en astrophysique ont progressivement renforcé la robustesse des modèles solaires, orientant la communauté scientifique vers une solution impliquant une nouvelle physique des particules, au-delà du modèle standard.

L’oscillation des neutrinos

La solution fut trouvée plusieurs décennies plus tard, vers le début des années 2000, notamment grâce aux travaux du Japonais Takaaki Kajita (1959--) et du Canadien Arthur B. McDonald (1943--), récompensés par le prix Nobel de physique en 2015. Les deux physiciens démontrent que les neutrinos ne sont pas tous identiques, mais de trois types distincts. Chaque type est caractérisé par une propriété appelée poétiquement « saveur ». Il s’agit là d’une propriété abstraite du neutrino qui n’a rien à voir avec le goût. Les neutrinos viennent ainsi en trois saveurs différentes : le neutrino électronique, le neutrino muonique et le neutrino tauique. Kajita et McDonald montrèrent que les neutrinos solaires ne sont pas immuables, mais peuvent changer de saveur au cours de leur voyage Soleil-Terre : c’est ce qu’on appelle le phénomène d’« oscillation » des neutrinos. Par conséquent, les neutrinos produits dans le Soleil comme neutrinos électroniques peuvent arriver sous forme de neutrinos muoniques ou tauiques à leur arrivée sur Terre. Or, le détecteur de Davis n’était sensible qu’aux neutrinos électroniques, ce qui explique qu’il n’a observé qu’environ un tiers du total attendu. La confirmation expérimentale décisive est venue du détecteur à Sudbury Neutrino Observatory au Canada, qui utilise de l’eau lourde pour détecter différents types de neutrinos, et qui a démontré que le flux total de neutrinos, toutes saveurs confondues, était conforme aux prédictions théoriques des modèles solaires, mais que les neutrinos électroniques n’en constituaient qu’une fraction. Aujourd’hui, plusieurs détecteurs avancés et sensibles à toutes les saveurs de neutrinos permettent d’étudier ces particules presque insaisissables avec précision. Nous pouvons mentionner le Super-Kamiokande dans une mine au Japon, un immense réservoir de 50 000 tonnes d’eau ultra pure qui détecte la lumière produite par les interactions des neutrinos. Il y a aussi le détecteur Borexino, installé dans un tunnel creusé dans le massif du Gran Sasso dans les Alpes italiennes, avec environ 1400 mètres de roche au-dessus, agissant comme un bouclier naturel qui arrête les rayons cosmiques parasites. Borexino est spécialisé dans la détection de neutrinos de basse énergie. Un autre observatoire de neutrinos hors du commun est IceCube en Antarctique, avec des capteurs enterrés dans la glace dans un volume de 1 kilomètre cube. Même avec ces dispositifs géants, très peu de neutrinos sont détectés : parfois quelques évènements par jour parmi les milliards de neutrinos qui traversent les détecteurs sans se manifester. Les physiciens doivent donc se livrer à une analyse statistique des données sur de longues périodes d’observation pour extraire les signaux. Les détecteurs de neutrinos sont souvent parmi les installations scientifiques les plus impressionnantes sur Terre, de véritables télescopes de particules qui peuvent regarder à travers la planète. Certains détecteurs comme IceCube sont même capables de voir l’équivalent d’un “lever de neutrinos”, provenant de l’autre côté du globe. 

Le comportement oscillatoire des neutrinos solaires a une conséquence majeure : les neutrinos ont une masse non nulle, contrairement à ce que pensait leur inventeur Pauli, et à ce que prévoyait initialement le modèle standard. La masse exacte du neutrino reste inconnue, mais les physiciens ont pu établir des limites démontrant qu’elle est très petite, plus de 500 000 fois plus petite que celle de l’électron. C’est pourquoi malgré leur abondance, les neutrinos ne peuvent pas constituer la totalité de la fameuse et mystérieuse « masse noire exotique » qui compte pour près de 30% du contenu de l’univers. Étant l’une des particules les plus légères connues dans l’univers, le neutrino se déplace à une vitesse proche de celle de la lumière. L’étude des neutrinos solaires illustre parfaitement la manière dont une anomalie expérimentale peut conduire à une révolution scientifique. De la découverte d’un déficit inattendu à la mise en évidence de l’oscillation des neutrinos, la résolution du problème des neutrinos solaires a profondément transformé notre compréhension du cosmos. 

Les neutrinos font exploser les étoiles

Les neutrinos jouent un rôle fondamental dans les phénomènes les plus énergétiques de l’univers, en particulier lors des explosions d’étoiles massives appelées « supernovæ ». Longtemps considérés comme des particules presque insignifiantes en raison de leur très faible interaction avec la matière, les neutrinos se révèlent pourtant être des acteurs centraux dans le mécanisme même de ces explosions cataclysmiques. Leur étude permet de mieux comprendre non seulement la mort des étoiles, mais aussi l’origine des éléments chimiques et l’évolution de l’Univers.

Une supernova se produit lorsqu’une étoile massive (dont le cœur est plus massif que 1,4 fois la masse du Soleil) arrive en fin de vie. Après avoir fusionné successivement différents éléments dans son cœur, elle forme un noyau de fer qui ne peut plus produire d’énergie par fusion. Le cœur s’effondre alors brutalement, en une fraction de seconde, sous l’effet de la gravité. Cet effondrement entraîne une compression extrême du noyau, la formation d’une étoile à neutrons, et une onde de choc qui tente de se propager vers l’extérieur, faisant exploser l’étoile. C’est dans ce contexte que les neutrinos interviennent de manière décisive. Lors de l’effondrement du cœur, des protons capturent des électrons pour former des neutrons et émettre des neutrinos électroniques, ce qui fait qu’environ 99 % de l’énergie libérée lors d’une supernova est émise sous forme de neutrinos. Un flux colossal de neutrinos est produit en quelques secondes, qui s’échappent presque immédiatement de l’étoile, contrairement à la lumière. Pendant longtemps, un problème majeur existait : l’onde de choc provoquée par l’effondrement du cœur semblait s’arrêter avant de provoquer l’explosion complète de l’étoile. Les modèles modernes montrent que les neutrinos viennent sauver la situation. Une partie des neutrinos interagit avec la matière environnante très dense, ce qui relance et amplifie l’explosion. Ainsi, les neutrinos ne sont pas seulement un produit de la supernova : ils en sont un moteur essentiel. Les neutrinos sont aussi des participants actifs à la nucléosynthèse, c’est-à-dire à la formation des éléments chimiques dans l’univers. Ils sont responsables de la formation d’éléments lourds comme l’or ou l’uranium. Songez que vous portez à vos doigts ou autour de votre cou des atomes d’or fabriqués grâce aux neutrinos.
   
Un événement astronomique important a confirmé le rôle crucial des neutrinos dans les supernovæ : la détection de neutrinos provenant de la Supernova (SN) 1987A, la mort explosive d’une étoile massive observée en 1987 dans le Grand Nuage de Magellan, une galaxie naine, satellite de la Voie lactée, située à une distance de 163 000 années-lumière. Des détecteurs sur Terre ont capté quelques dizaines de neutrinos provenant de SN 1987A. Ils ont été détectés avant la lumière visible. L’explication est la même que dans le cas des neutrinos solaires : interagissant très peu avec la matière ordinaire de l’étoile agonisante, les neutrinos ont quitté plus vite l’emplacement de SN 1987A pour arriver plus tôt sur Terre, avant la lumière. Ces observations multimessagers, basées non seulement sur la lumière, mais aussi sur les neutrinos, ont permis de valider certains modèles théoriques sur le rôle des neutrinos dans les supernovæ, et d’étudier les mécanismes d’effondrement gravitationnel et la dynamique du cœur stellaire. Le mécanisme exact de l’explosion déclenchée par les neutrinos reste à élucider. Des détecteurs géants comme Super-Kamiokande sont prêts à observer les neutrinos de la prochaine supernova dans la Voie lactée. Statistiquement, une telle supernova devrait arriver bientôt car une étoile massive devrait exploser tous les cinquante à soixante ans dans notre galaxie. Or la dernière, étudiée par l’astronome Johannes Kepler, a été vue en 1604. Les supernovæ galactiques ont du retard !

Les neutrinos primordiaux : vestiges du jeune univers

Les neutrinos jouent aussi un rôle important dans l’histoire du cosmos. Parmi les reliques les plus anciennes de l’univers figurent les neutrinos primordiaux, témoins silencieux de la première seconde qui a suivi le Big Bang. Invisibles et presque indétectables, ces particules constituent pourtant une composante fondamentale du cosmos et offrent une fenêtre unique sur des époques autrement inaccessibles. Dans les premières fractions de seconde après le Big Bang, l’univers était un plasma extrêmement chaud et dense où particules et rayonnement interagissaient sans trêve. Les neutrinos, comme les autres particules élémentaires, étaient alors en équilibre thermique avec leur environnement. Environ une seconde après le Big Bang, lorsque la température chute en dessous de quelques milliards de degrés, les neutrinos cessent d’interagir significativement avec les autres particules. À partir de ce « découplage », les neutrinos primordiaux se propagent librement dans l’espace. Ce phénomène est analogue à la formation du fond diffus cosmologique constitué par les particules de lumière, excepté qu’il se produit bien plus tôt, environ une seconde après le Big Bang au lieu des 380 000 années nécessaires pour le découplage du fond diffus. Ces neutrinos forment ce que l’on appelle le « fond cosmique de neutrinos », une mer de particules invisibles omniprésente. On estime que plusieurs centaines de neutrinos primordiaux occupent chaque centimètre cube de l’espace. À cause de l’expansion de l’univers, leur température actuelle est extrêmement basse, autour de – 271,05 degrés centigrade, légèrement inférieure à celle du rayonnement fossile qui est 
de – 270,275 degrés centigrade.

Cependant, la détection directe de cette mer invisible mais omniprésente de neutrinos primordiaux reste un défi majeur. Contrairement aux photons du fond diffus cosmologique, les neutrinos interagissent si faiblement avec la matière qu’ils traversent pratiquement tout, nous l’avons vu, sans laisser de trace. On peut toutefois les étudier indirectement grâce à leur influence sur l’évolution de l’univers et de ses structures. Par exemple, la présence des neutrinos primordiaux affecte la dynamique de l’expansion cosmique et laisse une empreinte dans les cartes du fond diffus cosmologique, établies avec précision par des télescopes spatiaux comme Planck. Un autre exemple concerne la formation des structures dans le cosmos. En tant que particules légères et rapides dans l’univers jeune, ils appartiennent à la catégorie de la « matière noire chaude ». La température mesure ici le mouvement. Une matière chaude se déplace vite et une matière froide lentement. Le mouvement rapide des neutrinos primordiaux empêche l’effondrement gravitationnel de la matière à petite échelle, modifiant ainsi la formation des premières structures, telles les galaxies naines. L’étude de la distribution des galaxies permet aussi d’estimer la masse totale des neutrinos. Même si cette masse est très faible, leur abondance est telle qu’ils ont un effet mesurable sur la croissance des structures cosmiques telles les galaxies et les amas de galaxies. Les observations du fond diffus cosmologique, notamment par le satellite Planck, ont permis d’établir des limites sur la somme des masses des neutrinos. Les neutrinos peuvent-ils aider à résoudre le problème de la matière noire ? La réponse est, nous l’avons vu, non. Leurs masses ne sont pas assez grandes pour constituer la majeure partie de la matière noire exotique de l’univers. Toutefois leur étude aide à contraindre les modèles de matière noire et à explorer une physique au-delà du modèle standard.

L’intérêt des neutrinos primordiaux réside donc dans leur capacité à véhiculer de l’information sur une époque extrêmement reculée, bien avant l’émission du fond diffus cosmologique. Ils sont parmi les plus anciens messagers du cosmos et offrent ainsi un accès indirect à des conditions physiques datant de la première seconde de l’univers. Bien qu’ils soient presque impossibles à détecter directement, il n’y a pas de doute que leur influence sur l’évolution de l’univers et la formation des galaxies est considérable. Les neutrinos pourraient également éclairer certains mystères fondamentaux du cosmos. Par exemple, ils pourraient être liés à l’asymétrie entre matière et antimatière dans l’univers, qui fait que nous vivons dans un univers dominé par la matière et où l’antimatière est presque totalement absente. Certains modèles suggèrent que des neutrinos lourds, encore hypothétiques, auraient joué un rôle clé dans ce déséquilibre.

Transpercer les corps des amants enlacés

Les neutrinos possèdent ainsi plusieurs caractéristiques uniques. Ils sont électriquement neutres. Longtemps considérés comme sans masse, on sait aujourd’hui que, grâce au phénomène des oscillations, qu’ils en possèdent une, mais minuscule. Très abondants, ils sont partout, bien qu’invisibles et presque insaisissables. Subjugué par leurs extraordinaires propriétés, l’écrivain américain John Updike (1932-2009) a composé un poème en leur honneur :

Cosmic Gall 
…
Ils ignorent les murs les plus épais,
Ne font attention ni au dur acier ni au cuivre retentissant,
Ils provoquent l’étalon dans son écurie.
Et, ne faisant aucune distinction de classe, 
Nous infiltrent, vous et moi.
Comme de grandes guillotines indolores,
Ils tombent de notre tête jusqu’à l’herbe à nos pieds.
La nuit, ils font leur entrée au Népal
Et viennent transpercer les corps assoupis des amants enlacés…

John Updike, New Yorker 17 Décembre 1960
  
Dans ce poème, dont on pourrait traduire le titre par « Insolence cosmique », Updike décrit dans un style subtil et ironique le vertige cosmique généré par les « neutrinos », innombrables visiteurs invisibles qui traversent la Terre, les corps des humains et l’histoire sans jamais s’arrêter et prendre la peine de nous remarquer. Updike semble reprocher aux neutrinos leur superbe indifférence face à l’humanité. Nous avons vu que ce n’est pas le cas. Au lieu d’être indifférents, les neutrinos, longtemps considérés comme des particules anecdotiques, nous apportent de précieuses informations qui aident l’homme à comprendre le cosmos. La détection des neutrinos solaires et la mise en évidence du phénomène des oscillations constituent l’une des plus belles réussites de la physique moderne. Les neutrinos jouent aussi un rôle central dans la compréhension des supernovæ, les morts explosives d’étoiles massives. Participant à la formation des éléments chimiques qui composent l’univers, ces particules presque insaisissables se révèlent être des acteurs essentiels des phénomènes les plus violents et les plus créateurs du cosmos. Leur capacité à relier l’infiniment petit à l’infiniment grand en fait des outils précieux pour la cosmologie moderne. 

Le 31 mars 2026
Charlottesville, Virginie

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