Profondément sous le poids patient des montagnes, où la lumière du jour n'arrive jamais et où l'air porte le silence de la pierre ancienne, les scientifiques se préparent à écouter quelque chose d'une faiblesse presque impossible. Ce n'est pas un son au sens ordinaire, ni un faisceau de lumière voyageant à travers le ciel ouvert. Au lieu de cela, c'est un murmure passant des étoiles les plus anciennes—une trace fugace de particules qui ont voyagé à travers l'univers pendant des milliards d'années.
Les instruments qui les attendent se tiennent loin sous terre, cachés délibérément du bruit du monde de surface.
Dans des endroits comme le Sanford Underground Research Facility dans le Dakota du Sud, les chercheurs développent des détecteurs conçus pour observer les neutrinos—des particules presque sans masse qui traversent la matière ordinaire comme si elle était un espace vide. Des trillions traversent chaque corps humain chaque seconde, arrivant du Soleil, de galaxies lointaines et de la longue histoire des explosions stellaires éparpillées à travers le temps cosmique.
La plupart passent inaperçues.
Pourtant, les scientifiques croient que certains de ces neutrinos peuvent provenir d'étoiles qui ont vécu et péri longtemps avant que la Terre n'existe. S'ils sont détectés, ils pourraient porter des informations rares sur les premières générations d'étoiles formées après que l'univers ait émergé de ses premières âges sombres.
La recherche fait partie de l'ambitieux Deep Underground Neutrino Experiment, ou DUNE, un projet international massif qui utilisera d'énormes détecteurs enterrés profondément sous la surface pour capturer ces particules insaisissables. Le cadre souterrain protège les instruments des rayons cosmiques et d'autres interférences qui pourraient autrement submerger de telles mesures délicates.
Les détecteurs eux-mêmes sont d'immenses chambres remplies d'argon liquide, refroidi à des températures extrêmement basses. Lorsqu'un neutrino interagit avec un atome d'argon—un événement rare—de minuscules éclairs de lumière et des traces de particules chargées sont produits. Des capteurs sensibles enregistrent ces signaux, permettant aux scientifiques de reconstruire quel type de neutrino a traversé et d'où il pourrait provenir.
Depuis des décennies, les détecteurs de neutrinos ont observé des particules provenant du Soleil et d'éventuelles supernovae voisines. Mais la prochaine génération d'expériences espère aller plus loin, à la recherche d'un fond diffus de neutrinos produits par d'innombrables explosions stellaires à travers la longue histoire de l'univers.
Ce signal est parfois appelé le fond diffus de neutrinos de supernova—un brouillard cosmique de particules libérées chaque fois que des étoiles massives s'effondrent et explosent. Chaque supernova individuelle pourrait être trop lointaine pour que ses neutrinos soient clairement distingués, mais ensemble, elles forment une lueur subtile de particules voyageant silencieusement à travers l'espace.
Les détecter ouvrirait une nouvelle fenêtre sur l'univers primitif.
Contrairement à la lumière, les neutrinos peuvent s'échapper directement des noyaux denses des étoiles en effondrement, portant des informations sur des processus qui restent cachés même des télescopes puissants. Parce qu'ils interagissent si faiblement avec la matière, ils peuvent traverser des galaxies, des nuages de poussière et des systèmes planétaires entiers sans être absorbés ou dispersés.
En un sens, ce sont des messagers qui se souviennent de tout ce qu'ils ont traversé.
Les scientifiques espèrent que les futures observations révéleront à quelle fréquence les premières étoiles ont explosé, leur masse, et comment elles ont contribué à semer le cosmos avec les éléments qui ont ensuite formé des planètes et la vie. Les signaux peuvent être faibles, mais en eux se trouve un enregistrement remontant à une époque où l'univers lui-même était encore jeune.
Pour l'instant, les détecteurs attendent dans l'obscurité, entourés de roches qui sont restées indéfectibles pendant des millions d'années.
Le Deep Underground Neutrino Experiment, actuellement en construction avec d'importantes installations aux États-Unis et au CERN, devrait commencer ses opérations dans la prochaine décennie. Une fois terminé, il sera l'un des observatoires de neutrinos les plus sensibles jamais construits, capable d'étudier des particules provenant de supernovae, d'accélérateurs de particules, et potentiellement du fond diffus de neutrinos provenant d'explosions stellaires anciennes.
Si cela réussit, l'expérience pourrait permettre aux scientifiques d'observer les faibles reliques d'étoiles qui ont brûlé et péri des milliards d'années avant que la Terre elle-même ne se forme.
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Sources
Nature Science Magazine Fermilab CERN Scientific American