Deux Japonais prix Nobel de physique ont joué un rôle significatif dans le développement des observatoires de neutrinos d’envergure mondiale, Kamiokande et Super Kamiokande. Rénové en août 2020, le Super Kamiokande se consacre aujourd’hui à l’étude des explosions de supernovas et de l’histoire de l’espace. Laissons-nous aspirer dans cet univers.
De la pierre philosophale aux secrets de l’univers
John Maynard Keynes, le père de la macro-économie, a commencé un traité avec cette phrase inhabituelle : « C’est avec quelques réticences que je tente de vous parler… d’Isaac Newton tel qu’en lui-même. »
Cet essai, intitulé Newton, the Man (« Newton, l’homme »), était consacré au fondateur de la science moderne. En 1936, quelques années avant que Keynes écrive ce texte, une boîte contenant des essais de Newton avait été mise en vente aux enchères chez Sotheby par un descendant du comte de Portsmouth. Keynes acheta environ la moitié des essais, dont plusieurs manuscrits sur l’alchimie, qui étaient parsemés de références codées à des « lions verts » et des « putains sordides ». Keynes a écrit qu’il pensait que Newton « avait un pied dans le Moyen-âge et un pied qui ouvrait un chemin pour la science moderne. »
En fait, au XVIIe siècle, Newton recherchait une « pierre philosophale » capable de changer les métaux ordinaires en or et de conférer l’immortalité à l’espèce humaine. Vers la fin de sa vie, il investit une grande partie de son temps et de son argent dans l’alchimie, avant de sombrer, dit-on, dans la folie suite à un empoisonnement au mercure.
Mais pourquoi un savant aussi estimé s’était-il absorbé dans la quête de l’occulte ? À l’issue d’une première phase de consternation, certains historiens des sciences ont émis l’hypothèse que, après avoir découvert les lois de l’univers qui gouvernent la masse (les lois de la gravitation universelle), Newton a tenté de formuler une théorie de la matière. Ces historiens supposent que Newton nourrissait l’espoir que l’alchimie le mènerait au cœur de cette question fondamentale : « De quoi la matière est-elle faite ? »
Mais Newton est arrivé 300 ans trop tôt : ce n’est pas avant le XXe siècle que la physique nucléaire, la physique des particules et la théorie du big bang ont apporté un début de réponse à sa question. Maintenant seulement avons nous accumulé suffisamment de connaissances, via l’astronomie des neutrinos, pour explorer ce mystère.
Le Japon à la pointe de la recherche sur les neutrinos
Bien des gens ont entendu parler de la recherche sur les neutrinos (l’une des unités de base de la matière dont l’univers est constitué) menée par Koshiba Masatoshi et Kajita Takaaki, les deux célèbres physiciens japonais titulaires du prix Nobel, ou tout du moins ces noms leur sont-ils familiers. En 1987, les deux physiciens ont réussi, grâce au Kamiokande, à observer les neutrinos émis par l’explosion d’une supernova, après quoi Koshiba, le chercheur en chef, s’est vu décerner le prix Nobel de physique en 2002. Cette reconnaissance, qui a eu des répercussions en chaîne au Japon, a débouché sur la construction du Super Kamiokande (ou « Super-K »), une installation 25 fois plus grosse, mise en marche en 1996. Suite à cela, le prix Nobel de physique a été décerné à Kajita en 2015 pour son étude des vibrations indiquant la masse des neutrinos. C’est ainsi que la recherche japonaise sur ces particules a fait des progrès considérables.
L’intérieur du Super Kamiokande, profond de 41 mètres, pendant des travaux de maintenance, effectués en 2018, pour lesquels environ 4 mètres d’eau ont été enlevés. (Avec l’aimable autorisation de l’Observatoire de Kamioka, Institut de recherche sur les rayons cosmiques, Université de Tokyo)Les neutrinos ont la réputation d’être l’une des particules les plus difficiles à observer. Par exemple, les neutrinos qui atteignent la Terre ont très probablement été créés dans le soleil. Alors que chacun d’entre nous est bombardé par des centaines de milliards de neutrinos par seconde, 99, 999999999999999999999 % (un nombre à 23 neufs !) d’entre eux nous traversent sans interaction. En fait, seule une moyenne d’un neutrino tous les 50 ou 100 ans entre en collision avec l’un des noyaux atomiques, ou électrons, dont notre corps est constitué. On voit donc que toute forme de réaction mettant en jeu un neutrino relève du miracle.
Toutefois, comme l’explique Nakahata Masayuki, le directeur du Super Kamiokande et de l’Observatoire de Kamioka, les 50 000 tonnes d’eau ultra-pure contenues par le Super Kamiokande sont en mesure d’intercepter quotidiennement une vingtaine de neutrinos en provenance du soleil et une dizaine en provenance de l’atmosphère.
Nakahata Masayuki nous fait visiter le Super Kamiokande. Sous ses pieds se trouve le réservoir d’eau géant.Un aperçu sur les fournaises de l’univers
Que la capture de neutrinos nous dit-elle donc de l’espace ?
« Pour commencer, il vous faut un minimum de connaissances sur l’histoire de l’univers, dit Nakahata. L’univers a vu le jour il y a 13,8 milliards d’années, avec le big bang, qui a essentiellement produit de l’hydrogène et de l’hélium. Générés par la fusion nucléaire et les explosions de supernovas, les éléments les plus lourds sont alors apparus à l’intérieur des astres. On pense que ces éléments plus lourds que le fer, notamment l’or et l’argent, ont été synthétisés instantanément lors de l’explosion de supernovas en fin de vie – des astres d’une masse huit fois supérieure à celle de notre soleil – et au sein des environnements à haute pression générés par les fusions d’étoiles à neutrons. »
Autrement dit, ce n’est pas sur la Terre, mais dans les explosions de supernovas et autres « fournaises » de l’univers qu’il fallait chercher la « pierre philosophale » capable de synthétiser l’or.
Les forces de la gravitation finissent par amener les éléments que ces explosions ont dispersés à travers l’univers à se rassembler, et à former ainsi de nouvelles étoiles, qui finissent par arriver à la fin de leur vie et explosent à leur tour. Autrement dit, si l’on compare les éléments les plus légers à des instruments de musique à tonalité aigue et les plus lourds à des instruments à tonalité grave, on peut dire qu’à chaque fois qu’une étoile meurt et renaît, elle acquiert davantage d’éléments lourds et enrichit ainsi le timbre de l’univers.
Il en découle que le système solaire, la Terre et même nos corps contiennent toute une gamme d’éléments, y compris les quantités nécessaires d’oligo-éléments, et que ce cycle spectaculaire de création et destruction leur est bénéfique.
Où au juste la création de ces éléments prend-elle place dans l’histoire de l’univers ?
« Le neutrino est la clef qui nous permet de bien comprendre à quoi ressemble l’explosion d’une supernova, dit Nakahata. Lors de l’explosion d’une supernova, une énorme quantité d’énergie est libérée, mais elle est dispersée à 99 % à travers l’espace sous forme de neutrinos. Formés juste avant l’explosion, au cœur de l’étoile, ces neutrinos sont expulsés sans interaction avec la matière environnante. Ils constituent notre seul accès direct à ce qui se passe à l’intérieur d’une explosion de supernova. »
Mais somment attrape-t-on une particule capable de passer au travers de tout ? La réponse à cette question réside dans le détecteur à neutrinos enfoui dans le sous-sol de la région de Kamioka, à Hida, dans la préfecture de Gifu.
Cette galerie de mine creusée dans le mont Ikeno mène au Super Kamiokande.
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