L'Académie royale des sciences de Suède a décidé d'attribuer le prix Nobel de physique 2026 à
FRANCIS HALZEN
Né en 1944 à Tirlemont, Belgique. Docteur en philosophie (PhD)* de la KU Leuven, Belgique, obtenu en 1969.
Professeur à l'Université du Wisconsin–Madison, États-Unis.
« pour sa contribution décisive à l’observatoire de neutrinos IceCube et à la découverte des neutrinos de haute énergie d’origine astrophysique »
(*) le terme "docteur en philosophie" est une dénomiation typiquement américaine qui désigne tout diplômé d'un troisième cycle universitaire (doctorat). Dans les pays francophones, on préfére en préciser la nature exacte et on l'intitule dans le cas présent "docteur en sciences".
Compte rendu de l'Académie Royale des Sciences de Suède
La glace au pôle Sud révèle des accélérateurs de particules cosmiques
Francis Halzen a posé les fondements d'une astronomie entièrement nouvelle. Son idée consistait à utiliser la glace glaciaire du pôle Sud pour capturer les neutrinos, ces particules mystérieuses. Il en a résulté l'observatoire de neutrinos IceCube, capable de détecter les neutrinos provenant des confins du cosmos.
© Johan Jarnestad/Académie royale suédoise des sciences
Le neutrino est la particule la plus discrète de l'univers : dépourvue de charge électrique et de masse quasi nulle, elle traverse généralement la matière sans être détectée. Il est rare qu'un neutrino se fasse remarquer en entrant en collision avec un noyau atomique. Chaque seconde, sans que vous vous en aperceviez, 65 milliards de neutrinos provenant du Soleil traversent l'ongle de votre auriculaire.
Les neutrinos proviennent également d'autres régions de l'espace et recèlent des indices sur certains mystères du cosmos. Les chercheurs qui parviennent à capturer ces neutrinos cosmiques plus rares peuvent alors en extraire des informations sur les environnements extrêmes de l'univers dont ils sont issus.
Dans les années 1980, Francis Halzen avait compris que la glace de l'Antarctique pourrait être idéale pour capturer suffisamment de ces mystérieux neutrinos, permettant ainsi aux chercheurs d'en apprendre davantage sur leurs origines lointaines. Il convainquit rapidement de nombreuses personnes du potentiel de son idée et, en 1992, un groupe de chercheurs et d'ingénieurs persévérants entreprit les premières tentatives d'immersion de capteurs de lumière dans le glacier du pôle Sud. La percée eut lieu une vingtaine d'années plus tard : le télescope à neutrinos IceCube enregistra des neutrinos aux propriétés qui persuadèrent les chercheurs qu'ils provenaient de régions reculées de l'espace. La recherche des sources de neutrinos de l'univers avait véritablement commencé.
La physique des particules rencontre l'astrophysique
Halzen a grandi en Belgique. Attiré par la physique des particules grâce aux progrès réalisés dans ce domaine dans les années 1960, il s'est d'abord intéressé aux particules massives composées de quarks. Peu après avoir obtenu son doctorat, il a rejoint l'Université du Wisconsin à Madison, aux États-Unis. Plus tard, il a compris ce que la physique des particules pouvait apprendre des particules qui nous parviennent de l'espace, et comment l'astrophysique pouvait, en retour, bénéficier de la physique des particules.
La recherche des neutrinos est motivée par l'observation de particules totalement différentes. Le cosmos est constamment traversé par des particules appelées rayons cosmiques. Il s'agit généralement de protons, des noyaux atomiques d'hydrogène nus (sans leur électron). Les protons provenant de l'espace peuvent parfois nous atteindre avec une énergie colossale, bien supérieure à celle qu'un accélérateur de particules terrestre peut leur fournir.
L'origine des rayons cosmiques aux énergies les plus extrêmes demeure l'un des secrets les mieux gardés de l'univers. La physique nous apprend que les processus capables d'accélérer les protons à de hautes énergies produisent également des neutrinos de haute énergie ; ces derniers pourraient donc fournir des indices cruciaux sur ces accélérateurs de particules cosmiques.
Celui qui parvient à identifier les neutrinos de très haute énergie peut les distinguer des neutrinos de bien plus faible énergie provenant de la désintégration de substances radioactives, du Soleil ou de l'impact des rayons cosmiques sur l'atmosphère terrestre. Les neutrinos qui ne proviennent pas de notre environnement doivent venir de très loin, très loin – peut-être de processus violents survenant dans des régions où des étoiles ont explosé ou de galaxies actives lointaines.
Des éclairs dans la glace
Dans les années 1980, alors qu'il travaillait sur les particules cosmiques, Halzen apprit que des chercheurs soviétiques envisageaient d'utiliser des récepteurs radio pour capter les signaux des neutrinos en Antarctique. L'idée était que lorsqu'un neutrino entre en collision avec un noyau atomique dans la glace, il provoque une étincelle électrique, qui produit une onde radio. Si cette onde était suffisamment puissante, elle pourrait être captée à l'aide d'une antenne radio. Halzen, inspiré par cette idée, comprit qu'une autre méthode pourrait consister à installer des capteurs de lumière dans la glace des glaciers et à détecter les flashs lumineux émis lors de ces collisions.
Aux alentours de 1960, plusieurs physiciens avaient suggéré que l'eau pourrait être un matériau idéal pour capturer les neutrinos provenant de l'espace. Lorsqu'un neutrino entre en collision avec un noyau atomique, ce qui est rare, une particule chargée est produite. Celle-ci se propage alors dans la même direction que le neutrino initial et émet une lumière bleue. La transparence de l'eau permet de détecter cette lumière. Avec l'équipement adéquat, il est possible de déterminer la direction de propagation de la lumière et même d'observer l'origine du neutrino. Le facteur le plus important est de disposer d'un volume d'eau suffisamment important pour observer les traces de nombreuses collisions de neutrinos.
L'idée d'Halzen était d'utiliser de la glace naturelle plutôt que de l'eau. Il contacta son collègue chercheur John G. Learned, qui travaillait sur le projet DUMAND. Ce projet similaire visait à capter les signaux lumineux émis par les neutrinos interagissant dans les eaux profondes et limpides de l'océan au large d'Hawaï. Ensemble, les physiciens discutèrent des possibilités et des défis liés à la capture des neutrinos en Antarctique. Ils présentèrent pour la première fois leur concept d'observatoire de neutrinos dans la glace du pôle Sud en 1988, lors d'une conférence en Pologne.
Un télescope à neutrinos au pôle Sud
Francis Halzen s'est rendu compte qu'il y avait de nombreux avantages à installer l'observatoire de neutrinos au pôle Sud géographique : une station de recherche y était déjà implantée, avec une organisation assurant des transports réguliers et tout le nécessaire pour qu'une équipe puisse travailler.
La glace présente également de nombreux avantages en tant que matériau. À une profondeur suffisante, l'obscurité y est constante. Contrairement à l'océan, elle est exempte de toute interférence d'organismes vivants et ne contient que de faibles niveaux de substances radioactives. Stable, la glace offre une surface solide au personnel travaillant sur le site. La zone est géologiquement stable et exempte de séismes.
L'un des inconvénients est que le froid rend les déplacements vers et depuis le pôle Sud impossibles pendant une grande partie de l'année. Tous les travaux pratiques doivent donc être effectués durant le court été antarctique, entre novembre et février.
© Johan Jarnestad/Académie royale suédoise des sciences
Au départ, Halzen se contentait des travaux théoriques, tandis que Learned, absorbé par son propre projet, ne revint jamais sur leurs théories concernant la capture des neutrinos au pôle Sud. L'histoire aurait pu s'arrêter là, mais le concept avait suscité un tel intérêt qu'en quelques années, des chercheurs de diverses institutions se rallièrent à Halzen pour concrétiser son idée d'un observatoire de neutrinos en Antarctique.
Pour commencer, il leur a fallu résoudre tous les problèmes pratiques liés à l'installation d'instruments profondément enfouis dans la glace. Ils ont appris auprès de glaciologues qu'il était possible de forer des trous d'un kilomètre de profondeur grâce à une sorte de pommeau de douche sophistiqué utilisant de l'eau chaude pour faire fondre la glace. Un long câble muni de capteurs de lumière pouvait ensuite être descendu dans le trou rempli d'eau. Halzen décrit ces capteurs comme une ampoule inversée : l'instrument capte la lumière et la transforme en signal électrique.
Des bulles dans la glace pourraient causer des problèmes
L'équipe de recherche a d'abord testé l'immersion des capteurs dans la glace du Groenland afin de vérifier qu'ils pouvaient enregistrer la lumière émise par les particules présentes dans la glace. Elle a ensuite entrepris la construction du premier observatoire de neutrinos au pôle Sud, le prédécesseur d'IceCube : AMANDA.
Halzen a décrit comment, la veille de Noël 1993, il était assis à table avec son ordinateur sur les genoux, attendant un message confirmant que le premier câble muni de modules optiques avait été installé dans la glace.
La partie supérieure de la glace était remplie de bulles qui diffusaient la lumière dans différentes directions et brouillaient les informations sur le mouvement des particules ; les premières tentatives furent donc décevantes. Cependant, la glace s'est révélée extrêmement pure et transparente en dessous de 1 400 mètres de profondeur. À cette profondeur, les flashs lumineux des neutrinos pouvaient parcourir 300 mètres avant d'être absorbés, bien plus loin que prévu. Un des avantages indirects du projet sur les neutrinos est que les chercheurs ont beaucoup appris sur les propriétés de la glace à différentes profondeurs.
La construction d'AMANDA s'est poursuivie jusqu'en janvier 2000. Tout fonctionnait comme prévu, mais l'instrument n'était pas encore suffisamment puissant pour détecter les neutrinos riches en énergie émis par les accélérateurs de particules cosmiques. Un volume plus important était nécessaire ; les travaux ont donc commencé sur IceCube, un kilomètre cube de glace équipé de capteurs de lumière. IceCube a atteint sa taille finale en 2011, avec 5 160 capteurs de lumière répartis sur 86 câbles.
Au fil des ans, Halzen a continué de jouer un rôle de catalyseur, d'abord pour AMANDA, puis pour IceCube. Chercheur principal engagé et enthousiaste, il a mené ces projets de leur conception à l'obtention de mesures complètes et de résultats scientifiques.
IceCube détecte enfin des neutrinos cosmiques
Un observatoire de neutrinos comme IceCube détecte bien plus que les seuls neutrinos recherchés par les chercheurs. Ces neutrinos cosmiques doivent être détectés malgré le bruit de fond des signaux produits par les rayons cosmiques pénétrant dans l'atmosphère terrestre. Certaines de ces particules peuvent atteindre les capteurs situés entre 1 450 et 2 450 mètres sous la surface. Plus de cent millions de ces particules, provenant de l'atmosphère au-dessus de l'Antarctique, sont enregistrées chaque jour. Les rayons cosmiques créent également des neutrinos dans l'atmosphère et, parmi ceux-ci, quelques centaines par jour parviennent à IceCube après avoir traversé la Terre depuis l'hémisphère nord.
Pour détecter les neutrinos cosmiques, les chercheurs doivent identifier des événements spécifiques d'interaction entre les neutrinos et la glace. Même sans certitude absolue quant à l'origine extraterrestre d'un neutrino, ils peuvent analyser l'ensemble des événements sélectionnés et vérifier si leurs propriétés correspondent à celles attendues des neutrinos cosmiques et diffèrent de celles des neutrinos atmosphériques. En 2013, l'équipe de recherche a publié les premiers éléments confirmant l'existence des neutrinos cosmiques et, quelques années plus tard, la quantité de données recueillies leur a permis de confirmer leur découverte.
Qu’espèrent apprendre les chercheurs grâce aux neutrinos de l’univers ?
L'astronomie des neutrinos a débuté modestement dans les années 1960, lorsque Raymond Davis Jr. a observé des neutrinos solaires. Cette observation a été confirmée par l'équipe de recherche de l'observatoire de neutrinos de Kamiokande, au Japon, dirigée par Masatoshi Koshiba, qui a pu déterminer la trajectoire des neutrinos et retracer leur origine.
En 1987, Kamiokande a détecté une gerbe de neutrinos qui pourrait être liée à l'explosion d'une étoile, une supernova, dans le Grand Nuage de Magellan, notre galaxie voisine. Cette découverte a rapidement été confirmée par des mesures de neutrinos effectuées simultanément aux États-Unis et en URSS.
Raymond Davis Jr et Masatoshi Koshiba ont reçu le prix Nobel de physique 2002 pour ces découvertes majeures, qui ont démontré que les neutrinos pouvaient être utilisés pour étudier les phénomènes spatiaux.
La nature changeante des neutrinos a été mise en évidence par des expériences menées au Japon et au Canada, et le prix Nobel de physique 2015 a été décerné à Takaaki Kajita et Arthur B. McDonald pour cette découverte.
© Johan Jarnestad/Académie royale suédoise des sciences
Le neutrino a ainsi permis aux physiciens de confirmer leurs modèles des processus se déroulant au sein du Soleil et des supernovae. L'idée derrière IceCube est de faire progresser l'astronomie des neutrinos, dans l'espoir que ces derniers fournissent des informations sur des phénomènes masqués par des nuages de poussière, ou sur des objets si éloignés que d'autres formes de rayonnement ont disparu en chemin. L'objectif est d'acquérir des connaissances inaccessibles par d'autres moyens.
Contrairement aux protons, les neutrinos ont l'avantage d'être électriquement neutres. La trajectoire des protons chargés dans l'espace est courbée par les champs magnétiques qu'ils traversent, ce qui rend impossible de déterminer leur origine en suivant leur parcours. Cependant, les processus d'accélération des protons produisent également des neutrinos, insensibles aux champs magnétiques. Il devrait donc être possible de déterminer le lieu d'accélération des protons des rayons cosmiques en remontant la trajectoire des neutrinos de plus haute énergie.
Un autre type de messager issu des processus les plus violents de l'univers est le rayonnement gamma. Ce dernier s'atténue également lorsqu'il interagit avec la lumière et la matière au cours de son voyage dans l'espace, contrairement aux neutrinos.
D'autres résultats sont attendus.
L'un des objectifs principaux est de déterminer les sources individuelles des neutrinos célestes. IceCube a identifié quelques sources potentielles, dont la galaxie active NGC 1068 (également appelée M77). Parmi les neutrinos détectés par IceCube, 79 semblent provenir de cette galaxie. Cependant, ces données ne permettent pas d'affirmer avec certitude que NGC 1068 est une source de neutrinos ; plus le nombre de neutrinos captés par les capteurs est élevé, plus les chances de déterminer leur origine augmentent.
Ces dernières années, les chercheurs à l'origine d'IceCube ont également pu observer des neutrinos de haute énergie provenant de notre propre galaxie, la Voie lactée. Ils pensent que ces neutrinos se produisent lorsque le rayonnement cosmique entre en collision avec les atomes du fin gaz interstellaire.
Nous entendrons certainement beaucoup parler d'astronomie des neutrinos dans les années à venir, car d'autres projets suivront la voie tracée par IceCube. Plusieurs autres télescopes à neutrinos sont en cours de développement dans l'hémisphère nord, mais ils utilisent l'eau plutôt que la glace. Le projet DUMAND, qui a inspiré Francis Halzen dans les années 1980, s'est achevé en 1995, mais ses enseignements continuent d'être mis en lumière par divers autres projets, notamment dans le lac Baïkal, en Méditerranée, en mer de Chine méridionale et au large des côtes ouest du Canada. Parallèlement, IceCube poursuit la capture des neutrinos. La prochaine extension, au pôle Sud, est en cours de planification : IceCube-Gen2 y constituera un volume impressionnant de huit kilomètres cubes de glace.
Pour la petite histoire :
Wolfgang Pauli découvre en 1930 que lors d'une désintégration ß (ß- ou ß+, selon qu'il s'agit de l'émision d'un électron, comme lors de la désintégration d'un atome de carbone-14, ou d'un positon), il n'y a pas de conservation d'énergie. Autrement dit, il doit y avoir émission concomitante d'une autre particule, neutre et de masse beaucoup plus faible que l'électron ou le positon. Il le nomme "neutron". De fait le neutron, constituant du noyau des atomes au même titre que le proton, et de masse sensiblement égale à celui-ci, n'a été découvert qu'en 1932 par le physicien britannique James Chadwick, prix Nobel de physique 1935. Dès lors, lors d'une discussion entre les physiciens italiens Edoardo Amaldi et Ernesto Fermi, ceux-ci, en rigolant, décident d'appeler la particule hypothétique de Pauli "le petit neutron", ce qui, en italien, se dit "neutrino". Le terme sera employé la même année par Fermi à la conférence de Paris, et l'année suivante, Pauli lui-même l'adoptera au Congrès Solvay de 1933 à l'Université Libre de Bruxelles, fameusement connu pour s'être entièrement attaché à la structure et aux propriétés du noyau atomique, et pour les physiciens qui y participèrent, dont Paul Langevin, directeur du congrès, Marie Curie, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Enrico Fermi, Paul Dirac, Ernest Rutherford, Erwin Schrödinger, Irène et Frédéric Joliot-Curie entre autres. Le terme "neutrino" fut dès lors adopté par la communauté scientifique internationale.
Albert Einstein était le grand absent du congrès. Dès 1933, il fuyait l'Allemagne nazie, et il se trouvait en ce moment dans la cité balnéaire belge du Coq-sur-Mer (Den Haan), en partance pour les États-Unis. Il évitait déjà toute assemblée où il pourrait se voir contraint de retourner en Allemagne.
Le neutrino ne sera découvert expérimentalement qu'en 1956, par Frederick Reines et Clyde Cowan, lors d'expériences sur un réacteur nucléaire. Leur découverte vaudra à Frederick Reines la moitié du prix Nobel de physique 1995, Clyde Cowan étant décédé en 1974. Il le partagea avec Martin Perl pour la découverte du lepton tau en 1975. En 1988 déjà, les physiciens Leon M. Lederman, Melvin Schwartz et Jack Steinberger avaient reçu le prix Nobel de Physique pour la découverte du neutrino muonique.
Ce ne sont donc pas moins de 5 prix Nobel de physique qui ont été attribués jusqu'ici pour des travaux expérimentaux sur les neutrinos, suite à la prédiction théorique de Wolfgang Pauli.
Le physicien autrichien Wolfgang Pauli n'obtiendra pas lui le prix Nobel de physique pour sa prédiction théorique du neutrino, car un prix Nobel ne peut pas être attribué pour une théorie non confirmée par l'experience. Il sera donc un autre grand absent du prix Nobel 1995. Ainsi le Belge Englert et le Britannique Higgs devront attendre 2013 après la découverte expérimentale du bozon au CERN pour recevoir le prix Nobel de physique pour des articles théoriques publiés en 1964.
Mais Wolfgang Pauli est mondialement connu par tous les physiciens et tous les chimistes pour son principe d'exclusion qui affirmait que deux électrons (étendu par après à tous les fermions) d'un même système ne pouvaient se trouver dans le même état quantique. Dans une liaison chimique, les deux électrons participant à la liaison doivent, de fait, être de spins opposés. Wolgang Pauli obtiendra lui aussi le prix Nobel de physique en 1945 pour sa découverte de ce que tous évoquent aujourd'hui comme le principe d'exclusion de Pauli.