Nous sommes inondés de neutrinos. Elles font partie des plus légères des deux douzaines de particules subatomiques connues et proviennent de toutes les directions: du Big Bang qui a commencé l'univers, des étoiles qui explosent et, surtout, du soleil. Ils traversent la terre presque à la vitesse de la lumière, à tout moment de la journée et de la nuit, en nombre considérable. Environ 100 000 milliards de neutrinos traversent notre corps chaque seconde.
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Le problème pour les physiciens est que les neutrinos sont invisibles et difficiles à détecter. Tout instrument conçu à cet effet peut sembler solide au toucher, mais pour les neutrinos, même l’acier inoxydable est généralement un espace vide, aussi ouvert que le système solaire l’est pour une comète. De plus, contrairement aux particules subatomiques, les neutrinos n'ont pas de charge électrique - ils sont neutres, d'où leur nom - les scientifiques ne peuvent donc pas utiliser de forces électriques ou magnétiques pour les capturer. Les physiciens les appellent des «particules fantômes».
Pour capturer ces entités insaisissables, les physiciens ont mené des expériences extraordinairement ambitieuses. Pour que les neutrinos ne soient pas confondus avec les rayons cosmiques (particules subatomiques de l'espace extra-atmosphérique qui ne pénètrent pas dans la Terre), des détecteurs sont installés dans les profondeurs de la terre. Des mines énormes ont été placées dans des mines d'or et de nickel, dans des tunnels sous les montagnes, dans l'océan et dans les glaces antarctiques. Ces appareils étrangement beaux sont des monuments de la détermination de l'humanité à en apprendre davantage sur l'univers.
On ignore quelles applications pratiques viendront de l'étude des neutrinos. «Nous ne savons pas où cela mènera», explique Boris Kayser, physicien théoricien au Laboratoire Fermilab de Batavia, dans l'Illinois.
Les physiciens étudient les neutrinos en partie parce que les neutrinos sont des personnages si étranges: ils semblent enfreindre les règles qui décrivent la nature de la manière la plus fondamentale. Et si les physiciens veulent jamais concrétiser leurs espoirs de développer une théorie cohérente de la réalité qui explique les bases de la nature sans exception, ils devront rendre compte du comportement des neutrinos.
En outre, les neutrinos intriguent les scientifiques car les particules sont des messagers venus de l’extérieur de l’univers, créées par l’explosion violente de galaxies et d’autres phénomènes mystérieux. «Les neutrinos pourraient peut-être nous dire des choses que les particules les plus banales ne peuvent pas, dit Kayser.
Les physiciens ont imaginé les neutrinos bien avant qu’ils n’en aient jamais trouvé. En 1930, ils ont créé le concept pour équilibrer une équation qui ne s'additionnait pas. Lorsque le noyau d'un atome radioactif se désintègre, l'énergie des particules qu'il émet doit être égale à l'énergie qu'il contenait à l'origine. Mais en fait, les scientifiques ont observé que le noyau perdait plus d’énergie que ne le détectaient les détecteurs. Ainsi, pour rendre compte de cette énergie supplémentaire, le physicien Wolfgang Pauli a conçu une particule invisible supplémentaire émise par le noyau. "J'ai fait quelque chose de très mauvais aujourd'hui en proposant une particule qui ne peut pas être détectée", a écrit Pauli dans son journal. "C'est quelque chose qu'aucun théoricien ne devrait jamais faire."
Les expérimentateurs ont commencé à le chercher quand même. Au milieu des années 50, dans un laboratoire d’armes nucléaires en Caroline du Sud, ils ont installé deux grands réservoirs d’eau à l’extérieur d’un réacteur nucléaire qui, selon leurs équations, aurait dû produire 10 000 milliards de neutrinos par seconde. Le détecteur était minuscule par rapport aux normes actuelles, mais il a quand même réussi à détecter les neutrinos - trois à l'heure. Les scientifiques avaient établi que le neutrino proposé était en réalité réel; étude de la particule insaisissable accélérée.
Une décennie plus tard, le champ a été agrandi lorsqu'un autre groupe de physiciens a installé un détecteur dans la mine d'or de Homestake, à Lead, dans le Dakota du Sud, à 4 850 pieds sous terre. Dans cette expérience, les scientifiques ont entrepris d'observer les neutrinos en surveillant ce qui se produit dans les rares cas où un neutrino entre en collision avec un atome de chlore et crée un argon radioactif facilement détectable. Au cœur de l'expérience se trouvait un réservoir rempli de 600 tonnes d'un liquide riche en chlore, le perchloréthylène, un fluide utilisé pour le nettoyage à sec. Tous les quelques mois, les scientifiques vidaient le réservoir et extrayaient une quinzaine d'atomes d'argon, preuves de 15 neutrinos. La surveillance s'est poursuivie pendant plus de 30 ans.
Dans l'espoir de détecter un plus grand nombre de neutrinos, des scientifiques au Japon ont mené une expérience à 3 300 pieds sous terre dans une mine de zinc. Super-Kamiokande, ou Super-K comme on l'appelle, a commencé à fonctionner en 1996. Le détecteur consiste en 50 000 tonnes d'eau dans un réservoir en forme de dôme dont les parois sont recouvertes de 13 000 capteurs de lumière. Les capteurs détectent le flash bleu occasionnel (trop faible pour que nos yeux le voient) émis lorsqu'un neutrino entre en collision avec un atome dans l'eau et crée un électron. Et en traçant le chemin exact parcouru par l'électron dans l'eau, les physiciens pourraient en déduire la source, dans l'espace, du neutrino en collision. La plupart, ils ont trouvé, venait du soleil. Les mesures étaient suffisamment sensibles pour que Super-K puisse suivre la trajectoire du soleil dans le ciel et, de près de 1, 5 km sous la surface de la Terre, regarder le jour se transformer en nuit. «C'est vraiment une chose passionnante», déclare Janet Conrad, physicienne au Massachusetts Institute of Technology. Les pistes de particules peuvent être compilées pour créer «une belle image, l'image du soleil en neutrinos».
Mais les expériences Homestake et Super-K n'ont pas permis de détecter autant de neutrinos que les physiciens s'y attendaient. Les recherches menées à l’Observatoire de neutrinos de Sudbury (SNO, prononcé «neige») ont permis de déterminer pourquoi. Installé dans une mine de nickel de 6 800 pieds de profondeur en Ontario, SNO contient 1 100 tonnes «d'eau lourde», qui contient une forme inhabituelle d'hydrogène qui réagit relativement facilement avec les neutrinos. Le fluide est dans un réservoir suspendu à l'intérieur d'une énorme boule en acrylique, elle-même maintenue dans une superstructure géodésique, qui absorbe les vibrations et sur laquelle sont suspendus 9 456 capteurs de lumière, le tout ressemblant à un ornement d'arbre de Noël de 15 mètres de haut.
Les scientifiques travaillant à SNO ont découvert en 2001 qu'un neutrino peut basculer spontanément entre trois identités différentes - ou, comme le disent les physiciens, il oscille entre trois saveurs. La découverte avait des implications surprenantes. D'une part, il a montré que les expériences précédentes avaient détecté beaucoup moins de neutrinos que prévu, car les instruments étaient accordés sur un seul parfum de neutrinos - celui qui crée un électron - et il manquait ceux qui commutaient. D'autre part, cette découverte a renversé la conviction des physiciens selon laquelle un neutrino, comme un photon, n'a pas de masse. (Seules les particules de masse peuvent effectuer des oscillations.)
Quelle est la masse des neutrinos? Pour le savoir, des physiciens construisent KATRIN, l'expérience de neutrino-tritium de Karlsruhe. L’activité de KATRIN comprend un appareil de 200 tonnes appelé spectromètre, qui mesurera la masse des atomes avant et après leur décroissance radioactive, révélant ainsi la masse que le neutrino emporte. Les techniciens ont construit le spectromètre à environ 250 miles de Karlsruhe, en Allemagne, où l’expérience va se dérouler; le dispositif était trop volumineux pour les routes étroites de la région. Il a donc été embarqué sur un bateau sur le Danube et a traversé Vienne, Budapest et Belgrade pour atteindre la mer Noire, la mer Égée et la Méditerranée, l'Espagne et la Manche., jusqu’à Rotterdam et dans le Rhin, puis au sud jusqu’au port fluvial de Leopoldshafen, en Allemagne. Là, il a été déchargé sur un camion et a traversé la ville jusqu'à destination, deux mois et 5 600 milles plus tard. Il est prévu que la collecte des données commence en 2012.
Les physiciens et les astronomes intéressés par les informations selon lesquelles des neutrinos de l'espace pourraient véhiculer des supernovas ou des galaxies en collision ont mis en place des "télescopes" à neutrinos. L'un d'entre eux, appelé IceCube, se trouve à l'intérieur d'un champ de glace en Antarctique. Une fois achevé, en 2011, il comprendra plus de 5 000 capteurs de lumière bleue (voir le diagramme ci-dessus). Les capteurs ne visent pas le ciel, comme on pourrait s'y attendre, mais le sol, afin de détecter les neutrinos provenant du soleil et de l'espace extra-atmosphérique qui traversent la planète depuis le nord. La Terre bloque les rayons cosmiques, mais la plupart des neutrinos traversent la planète de 8 000 km de large comme si elle n’était pas là.
Une expérience de neutrinos à longue distance est en cours dans plusieurs États du Midwest. Un accélérateur de haute énergie, qui génère des particules subatomiques, envoie des faisceaux de neutrinos et des particules connexes jusqu'à six milles de profondeur, sous le nord de l'Illinois, à travers le Wisconsin et le Minnesota. Les particules commencent à Fermilab, dans le cadre d’une expérience appelée Recherche par oscillation de neutrino d’injecteur principal (MINOS). En moins de trois millièmes de seconde, ils ont heurté un détecteur situé dans la mine de fer Soudan à 450 km. Les données recueillies par les scientifiques compliquent leur image de ce monde infinitésimal: il apparaît maintenant que les formes exotiques de neutrinos, dites anti-neutrinos, ne suivent peut-être pas les mêmes règles d'oscillation que les autres neutrinos.
«Ce qui est cool, dit Conrad, c'est que ce n'est pas ce à quoi nous nous attendions.»
En matière de neutrinos, très peu l'est.
Le dernier livre d’ Ann Finkbeiner, A Grand and Bold Thing, parle du Sloan Digital Sky Survey, un effort de cartographie de l’univers.
La plupart des neutrinos qui nous bombardent viennent du soleil, montré ici dans une image ultraviolette. (NASA) 
Au Japon, le détecteur caverneux Super-Kamiokande est doté de 13 000 capteurs pour détecter les signes de neutrinos. Des ouvriers dans un bateau surveillent l’appareil pendant qu’il se remplit d’eau. (Observatoire de Kamioka, ICRR (Institut de recherche sur les rayons cosmiques), Université de Tokyo) 
Dans une série de réactions au cœur du soleil, les atomes d'hydrogène créent de l'hélium par fusion. Le processus libère de l'énergie et des particules subatomiques, y compris des neutrinos. Lorsqu'un photon, ou particule de lumière, quitte le noyau dense du soleil, il est piégé dans la chaleur et la fureur et ne nous parvient peut-être pas avant des millions d'années. Mais un neutrino solaire n’est pas découragé et atteint la Terre en huit minutes. (Samuel Velasco / Infographie 5W) 
L'observatoire de neutrinos de Sudbury au Canada a confirmé qu'un neutrino peut changer d'identité. (SNO) 
Les physiciens du laboratoire national Brookhaven à New York, présentés ici dans le détecteur STAR du laboratoire, espèrent pouvoir filmer un faisceau de neutrinos sous la mine Homestake, dans le Dakota du Sud. (BNL) 
Le détecteur de neutrinos MINOS dans le Minnesota est la cible des faisceaux de neutrinos tirés de l'Illinois. (Services de médias visuels Fermilab) 
Le spectromètre KATRIN, qui mesurera la masse du neutrino, passera par Léopoldshafen, en Allemagne, avant d’être dirigé vers un laboratoire. (Institut de technologie de Karlsruhe) 
Le détecteur de neutrinos IceCube en Antarctique est intégré à la glace. IceCube, avec 5 000 capteurs connectés à plus de 70 lignes, recherchera les neutrinos ayant parcouru 8 000 milles à travers la planète. (L'universite de Wisconsin-Madison) 
Une chaîne de capteurs descend dans un trou de 8 000 pieds de profondeur. (Jim Haugen / National Science Foundation)
