Suivez vous les prix Nobel ?
Chaque année, je suis particulièrement curieuse de découvrir quelle thématique sera récompensée en physique. Et cette année, j’ai eu une très bonne surprise : le prix Nobel de physique 2026 a été attribué à Francis Halzen, pour ses contributions à l’observatoire IceCube et à la découverte de neutrinos de haute énergie provenant du cosmos.
Le neutrino.
Une particule qui m’intrigue depuis longtemps — probablement parce qu’elle ressemble à un défi lancé aux physiciens : comment détecter quelque chose qui fait tout son possible pour ne pas interagir avec votre détecteur ?
Une véritable « particule fantôme »
Le neutrino est une particule élémentaire électriquement neutre, extrêmement légère et qui interagit très faiblement avec la matière.
Autrement dit : des quantités gigantesques de neutrinos peuvent nous traverser continuellement sans laisser la moindre trace. Cette propriété leur vaut souvent le surnom de « particules fantômes ». Dans mon ancien cours de physique du neutrino, j’utilisais déjà cette très faible probabilité d’interaction comme point de départ pour comprendre pourquoi leur détection nécessite des dispositifs expérimentaux aussi particuliers.
IceCube pousse cette logique jusqu’à une échelle impressionnante : utiliser un kilomètre cube de glace antarctique, instrumenté avec des milliers de capteurs, pour observer les rares interactions produites par des neutrinos de très haute énergie. Ces neutrinos deviennent alors de messagers permettant d’étudier certains des phénomènes les plus énergétiques de l'Univers.
Il aura fallu 26 ans pour attraper le premier
L’histoire commence bien avant IceCube. En 1930, Wolfgang Pauli propose l’existence d’une nouvelle particule pour résoudre un problème gênant dans la désintégration bêta : une partie de l’énergie semblait tout simplement manquer. L’hypothèse lui paraît tellement audacieuse qu’il la présente lui-même comme un “desperate remedy” — un remède désespéré — pour sauver le principe de conservation de l’énergie. Il imagine alors une particule électriquement neutre, extrêmement difficile à détecter. Une proposition dont il doutait lui-même qu’elle puisse un jour être vérifiée expérimentalement.
Quelques années plus tard, Enrico Fermi construit la théorie de la désintégration bêta et lui donne son nom : neutrino.
Il faudra finalement attendre 1956 pour que Frederick Reines et Clyde Cowan obtiennent la première détection expérimentale grâce aux antineutrinos produits par un réacteur nucléaire et à la réaction de désintégration bêta inverse. Le caractère insaisissable de la particule ne leur avait d’ailleurs pas échappé : ils avaient eux-mêmes baptisé leur programme de recherche “Project Poltergeist”.
En 1995, Frederick Reines recevra le prix Nobel de physique pour cette découverte.
Ce qui me plaît dans cette histoire, c’est cette distance entre l’idée et l’expérience : une hypothèse formulée parce que les équations ne fonctionnaient plus… puis des décennies nécessaires pour inventer l’instrumentation capable de la tester.
Et en plus, il change de « saveur »
Comme si le neutrino n’était pas déjà suffisamment étrange, il possède encore une autre propriété remarquable : il oscille. Nous connaissons trois saveurs de neutrinos : électronique, muonique et tauique.
Et non, malheureusement, « saveur » n’a ici aucun rapport avec la gastronomie.
Au cours de leur propagation, les neutrinos peuvent changer de saveur. Cette idée, développée notamment à partir des travaux de Bruno Pontecorvo, a permis d’expliquer une énigme qui avait occupé les physiciens pendant des décennies : pourquoi détectait-on beaucoup moins de neutrinos solaires que prévu ?
L’observation expérimentale de ces oscillations a finalement démontré quelque chose de fondamental : les neutrinos ont une masse non nulle. Cette découverte a d’ailleurs valu le prix Nobel de physique 2015 à Takaaki Kajita et Arthur McDonald.
Et Bruno Pontecorvo apporte au passage une autre couche de mystère à l’histoire. Physicien italien ayant travaillé notamment sur la physique des neutrons et des neutrinos, il disparaît avec sa famille en 1950 avant de réapparaître en Union soviétique. Était-il simplement un scientifique passé à l’Est ou également impliqué dans l’espionnage atomique ? La question a alimenté beaucoup de littérature sans recevoir de réponse définitive. Frank Close en a même fait le titre d’un livre : Half-Life: The Divided Life of Bruno Pontecorvo, Physicist or Spy.
Pour une particule fantôme, le casting est plutôt réussi.
Nous savons donc que les neutrinos ont une masse.
Mais cela ne veut absolument pas dire que nous avons compris leur fonctionnement. Parmi les questions qui restent ouvertes :
Quelle est exactement leur masse ?
Comment les trois états de masse sont-ils ordonnés ?
Neutrinos et antineutrinos se comportent-ils exactement de la même manière ?
Pourraient-ils contribuer à expliquer pourquoi l’Univers contient beaucoup plus de matière que d’antimatière ?
Et voila qu’entrent en scène certaines des grandes expériences actuelles.
DUNE : envoyer des neutrinos à travers 1 300 km de Terre
Parmi elles, Deep Underground Neutrino Experiment — est probablement l’une des plus ambitieuses.
Un faisceau de neutrinos produit à Fermilab, près de Chicago, sera étudié par un premier détecteur, puis les particules traverseront environ 1 300 kilomètres de Terre avant d’atteindre le détecteur lointain installé au Sanford Underground Research Facility, dans le Dakota du Sud.
Et puisqu’un neutrino interagit très peu avec la matière, pas besoin de creuser un tunnel de Chicago au Dakota : le faisceau traverse directement la croûte terrestre. Le détecteur lointain sera lui-même installé à environ 1 475 mètres sous terre et comprendra plusieurs gigantesques modules utilisant de l’argon liquide.
L’un des objectifs majeurs de DUNE sera de comparer avec une très grande précision les oscillations des neutrinos et des antineutrinos.
Pourquoi ?
Parce qu’une différence entre leur comportement pourrait nous fournir une pièce importante du puzzle permettant de comprendre pourquoi, après le Big Bang, la matière a finalement dominé l’antimatière — condition indispensable à l’existence des galaxies, des étoiles, des planètes… et de nous. DUNE cherchera également à préciser les paramètres d’oscillation et l’ordre des masses des neutrinos.
L’expérience aura aussi les yeux tournés vers le ciel. Si une étoile massive explose suffisamment près de nous, DUNE pourra détecter l’immense bouffée de neutrinos produite lors de son effondrement et nous donner accès aux toutes premières étapes de la formation d’une étoile à neutrons ou d’un trou noir.
Près d’un siècle après le desperate remedy de Pauli, nous construisons donc des installations gigantesques pour étudier avec précision une particule qu’il pensait presque impossible à observer.
Mais DUNE ne répondra pas à toutes les questions. Il en reste une particulièrement étrange.
Le neutrino est-il sa propre antiparticule ?
Dans le Modèle standard, les particules possèdent généralement leurs antiparticules. L’électron possède le positron. Mais pour une particule électriquement neutre comme le neutrino, une possibilité beaucoup plus exotique existe : et si le neutrino était sa propre antiparticule ?
C’est la question de la nature Dirac ou Majorana du neutrino.
L’une des méthodes permettant d’y répondre consiste à rechercher un phénomène extrêmement rare : la double désintégration bêta sans émission de neutrinos.
Dans une double désintégration bêta classique, deux électrons et deux antineutrinos sont émis. Mais si le neutrino est une particule de Majorana — donc sa propre antiparticule — un processus pourrait théoriquement se produire dans lequel aucun neutrino n’est émis. Observer une telle désintégration démontrerait que le neutrino possède une nature de Majorana et fournirait un indice majeur sur l’origine de sa masse et sur certains mécanismes liés à l’asymétrie matière–antimatière.
SuperNEMO : chercher un phénomène extrêmement rare
C’est l’un des objectifs de SuperNEMO, installé au Laboratoire souterrain de Modane, sous les Alpes françaises. L’expérience recherche la double désintégration bêta sans neutrino. Il ne s’agit pas simplement de mesurer une énergie totale. Grâce à une architecture combinant tracker et calorimètre, SuperNEMO peut reconstruire séparément les trajectoires et les énergies des électrons produits lors de la désintégration. Si un signal apparaissait, cette reconstruction topologique pourrait fournir des informations supplémentaires sur le mécanisme physique qui l’a produit.
Une petite particule pour de très grandes questions
En moins d’un siècle, le neutrino est passé d’une hypothèse “désespérée” à une particule insaisissable, capable de changer de saveur, devenue aujourd’hui un véritable messager astrophysique permettant d’observer l’Univers autrement.
Malgré les 3 prix Nobel, nous ne savons toujours pas tout. Et il pourrait nous apporter des indices sur l’une des questions les plus fondamentales de la physique : pourquoi existe-t-il quelque chose plutôt que presque rien, c’est-à-dire pourquoi notre Univers est-il dominé par la matière ?
Le Nobel 2026 récompense une nouvelle étape de l’histoire du neutrino.