[article] dossier neutrino 4

source : la recherche n°402 - novembre 2006

Citation :: 4 Invisible témoin du Big Bang

Vivons-nous dans un flux de neutrinos vieux de 13,7 milliards d'années ? Ces particules primordiales demeurent encore insaisissables, mais les preuves indirectes de leur présence s'accumulent.
Les neutrinos ont-ils joué un rôle crucial dans l'histoire de l'Univers ? Sont-ils assez nombreux pour en modifier l'évolution globale ? Il y a là un paradoxe : comment les particules les plus légères que nous connaissons pourraient-elles influencer les plus grandes structures cosmologiques ? Pourtant, depuis l'hypothèse de l'existence des neutrinos, les physiciens n'ont cessé de s'interroger sur ce lien.
En 1953, avant même la première détection de ces particules, Ralph Alpher, James Follin et Robert Herman, de l'université John Hopkins du Maryland, proposèrent l'existence d'un « fond cosmologique de neutrinos » issu de la période chaude et dense ayant suivi le Big Bang [1] . Ce flux de neutrinos primordiaux remplirait tout l'Univers à l'instar du « fond cosmologique micro-onde » proposé sept ans plus tôt par George Gamow. Ce dernier avait en effet prédit la présence d'un flux de photons dans l'Univers, connu également sous le nom de « rayonnement fossile du Big Bang ».

Équilibre primordial

Selon les trois chercheurs du Maryland, l'Univers devrait au total contenir un nombre comparable de photons et de neutrinos, produits il y a 13,7 milliards d'années. Le scénario est le suivant : d'une infime fraction de seconde après le Big Bang jusqu'à 380 000 ans, l'Univers était rempli d'un gaz chaud et dense appelé « plasma primordial », dans lequel les particules élémentaires étaient maintenues en équilibre par un ensemble de réactions de désintégration et de chocs. C'est la période dite d'« équilibre thermique ».
Connaissant les propriétés élémentaires des neutrinos, photons, protons, neutrons, électrons et autres constituants du plasma primordial, on peut donc calculer exactement leur abondance relative pendant cette période, et l'extrapoler jusqu'à des époques bien plus récentes. Alpher et ses collègues trouvèrent ainsi que, dans les premières dizaines de milliers d'années de l'Univers, l'énergie totale devait se répartir entre les photons pour environ deux tiers et les neutrinos pour environ un tiers. L'énergie des autres constituants (protons, neutrons, électrons, etc.) étant alors totalement négligeable.
Puis, au moment dit de l'« égalité entre radiation et matière », que l'on date actuellement à 60 000 ans après le Big Bang, d'autres formes de matière prirent le dessus dans ce plasma primordial [2] . L'énergie des photons et des neutrinos devint progressivement négligeable par rapport à celle de la matière visible ordinaire, composée d'atomes, et à celle de la matière noire, responsable de la masse cachée de l'Univers. Enfin, pour rendre compte de la phase d'accélération de l'expansion mise en évidence par différents types d'observation à la fin des années 1990, une mystérieuse énergie noire de nature inexpliquée a été invoquée : quelques milliards d'années après le Big Bang, c'est elle qui semble avoir dominé [3] .
La contribution des neutrinos primordiaux à l'énergie totale de l'Univers serait donc aujourd'hui réduite à pas grand-chose. Les prédictions du « modèle cosmologique standard » combinées aux mesures de la température du fond cosmologique micro-onde, du taux d'expansion et de la platitude de l'Univers ont d'abord fixé une valeur minimale à 0,003 % de l'énergie totale. En incluant les informations les plus récentes sur la masse des neutrinos, obtenues en étudiant leurs oscillations ainsi que le processus de désintégration du tritium, on peut affiner cette prédiction : la contribution doit se situer entre 0,1 % et 4 %. Enfin, d'après l'observation des grandes structures dans l'Univers (lire « Peser les neutrinos en observant le ciel », p. 46), il n'est guère vraisemblable que plus de 1 % de l'énergie totale de l'Univers puisse être imputée aux neutrinos primordiaux. En revanche, le nombre actuel de neutrinos primordiaux resterait significatif et conforme aux prédictions d'Alpher et de ses collègues, soit en moyenne 339 neutrinos par centimètre cube, contre 412 photons.

Interaction trop faible

Théories fantaisistes que celles-là ? Le modèle résiste-t-il à l'observation ? Le fond cosmologique micro-onde a été observé en 1965 par Arno Penzias et Robert Wilson grâce à un radiotélescope, donnant au modèle du Big Bang sa preuve la plus éclatante. Mais les neutrinos primordiaux restent inaccessibles. Contrairement aux photons, ils ont une probabilité dérisoire d'interagir avec leur environnement et donc de se manifester. Aujourd'hui encore, leur détection directe relève de la science-fiction. Sans charge électrique et peu énergétiques, les neutrinos primordiaux sont sensibles aux interactions faibles * et gravitationnelles, mais à des niveaux toujours hors de portée. La masse des neutrinos est en effet si petite que leur passage à proximité d'un détecteur correspond à une force gravitationnelle totalement négligeable et impossible à mettre en évidence. Quant aux détecteurs sensibles aux interactions faibles, plongés dans le fond cosmologique de neutrinos, ils doivent théoriquement vibrer, mais avec des accélérations de 10-26 centimètre par seconde carrée tout au plus [4] . Or la plus petite accélération détectable est aujourd'hui de l'ordre de 10-13 centimètre par seconde carrée.
Les détecteurs de neutrinos actuels traquent les fruits de la collision entre un neutrino et une autre particule élémentaire (électron, muon, voire un autre neutrino), qui peut produire, grâce aux interactions faibles, d'autres particules bien plus faciles à repérer. Mais là encore ces réactions n'ont lieu que si l'énergie totale des deux particules initiales dépasse un certain seuil. Ce n'est pas le cas des neutrinos cosmologiques, dont l'énergie cinétique est beaucoup trop faible.
Des méthodes de détection directe ont toutefois été envisagées : par exemple, l'étude de la collision entre des neutrinos cosmologiques et des particules ultra-énergétiques produites dans un accélérateur. Malheureusement, même les particules qui seront produites par le LHC, le plus grand accélérateur du monde, en voie d'achèvement au CERN à Genève, auront une énergie insuffisante : la probabilité d'obtenir au moins une collision en un an serait de l'ordre de un pour dix mille [4] . La piste qui paraît peut-être la moins irréaliste est la détection de collisions entre des neutrinos primordiaux et des neutrinos ultra-énergétiques appartenant aux rayons cosmiques [5] . En principe, ce type de collision devrait se produire de temps en temps, n'importe où dans le cosmos. À cet égard, une observation extrêmement précise des rayons cosmiques arrivant sur Terre pourrait à très long terme se révéler payante.

Éléments légers

Ces quinze dernières années ont donc été consacrées à la détection indirecte : peut-on mettre en évidence une signature indiscutable du fond cosmologique de neutrinos en étudiant l'évolution globale de l'Univers ? Puisque leur contribution énergétique devait atteindre environ un tiers dans l'Univers primordial, c'est dans l'Univers jeune, moins de 60 000 ans après le Big Bang, qu'il faut chercher la trace des neutrinos primordiaux.
La première piste d'investigation est liée aux réactions nucléaires qui se sont produites entre une et deux cents secondes après le Big Bang et ont créé les premiers éléments légers (hydrogène, deutérium, hélium, lithium, etc.). Depuis la fin de cet épisode, appelé nucléosynthèse primordiale, l'Univers est trop froid pour que d'autres réactions nucléaires aient lieu, si ce n'est au coeur des étoiles. Dans les structures vierges de toutes particules produites dans les étoiles, la proportion de ces différents éléments est donc restée figée. Or la cinétique des réactions primordiales dépend du taux d'expansion de l'Univers, lui-même relié à la densité d'énergie. Un surplus d'énergie sous forme de neutrinos devrait donc avoir des conséquences sur l'abondance relative de ces éléments légers. L'analyse spectroscopique de structures telles que les nuages de gaz intergalactiques donne accès à ces quantités. Et depuis les années 1990 l'ensemble de ces résultats correspond aux modèles qui intègrent les neutrinos dans les proportions prédites dès 1953 [6] . La présence du fond cosmologique de neutrinos est donc prouvée.
La deuxième preuve indirecte nous vient de l'étude des fluctuations du « fond cosmologique micro-onde ». Selon la direction observée, ce flux de photons présente de très petites variations d'énergie, et donc de température : une mine d'informations sur la composition et l'évolution de l'Univers, en particulier sur la période qui va de quelques milliers d'années à 380 000 ans après le Big Bang. Depuis une quinzaine d'années, des instruments embarqués sur des ballons-sondes, ou même des satellites sont dédiés à leur cartographie systématique. Mais c'est surtout depuis février 2003, grâce au satellite américain WMAP, que des cartes précises ont été obtenues [7] . L'analyse statistique de ces cartes fournit une mesure de la densité d'énergie dans l'Univers primordial. Le résultat confirme la prédiction théorique : la densité du fond de photons ne suffit pas. Un autre fond de particules sans interactions devait être présent après le Big Bang dans des proportions d'environ deux tiers, un tiers [8] .
Sans preuve directe, les plus sceptiques peuvent encore douter de l'existence du fond cosmologique de neutrinos. Mais il leur faut alors expliquer l'absence de ces particules dans le plasma primordial, les données de la nucléosynthèse primordiale et les fluctuations du fond micro-onde. Et pour cela invoquer un autre constituant mystérieux, qui aurait les propriétés élémentaires des neutrinos et remplirait l'Univers dans les mêmes proportions.

Succès cosmologique

Ainsi, même indirecte, la confirmation de l'existence des neutrinos primordiaux est considérée comme l'un des grands succès de la cosmologie moderne. Née des premières spéculations sur le modèle de Big Bang, l'hypothèse formulée en 1953 pourrait avoir des retombées pour les physiciens. Aujourd'hui ces derniers butent encore sur la masse absolue des neutrinos puisque les expériences sur les oscillations de neutrinos n'indiquent que des masses relatives. Or une mesure absolue pourrait bel et bien être tirée de l'observation du ciel dans les dix prochaines années (lire « Peser les neutrinos en observant le ciel », ci-dessous) ! La cartographie de l'Univers aux plus grandes échelles possibles nous renseignerait donc sur des particules légères... d'à peine un vingtième d'électronvolt. À moins, évidemment, que les prévisions ne soient trop optimistes, et que des difficultés imprévues ne surgissent dans les futures campagnes d'observations. La chasse aux neutrinos primordiaux est encore pleine de promesses.

EN DEUX MOTS Juste après le Big Bang, deux types de particules, neutrinos et photons, se seraient côtoyées à mesure pratiquement égale. Les neutrinos n'interagissent quasiment pas avec leur environnement : ils seraient donc parvenus jusqu'à nous sans encombre. Vestiges des tout premiers instants de l'Univers, ils auraient depuis perdu de leur énergie mais seraient toujours très nombreux. Et malgré leur légèreté, ils auraient joué un rôle important dans l'évolution de l'Univers.

Julien Lesgourgues