Au cœur des montagnes japonaises, dans un immense réservoir rempli de 50 000 tonnes d'eau pure, des scientifiques ont entendu un infime murmure de l'Univers. Le Super-Kamiokande — l'un des « télescopes à neutrinos » les plus sensibles au monde — a capté les premiers indices de ce que l'on appelle le fond diffus de neutrinos de supernovas (DSNB). Ces particules sont nées dans l'enfer thermonucléaire d'innombrables explosions stellaires survenues tout au long de l'histoire du cosmos.
Ce n'est pas sans raison que les neutrinos sont qualifiés de « fantômes » ou de « spectres cosmiques ». Ces particules élémentaires n'interagissent pratiquement pas avec la matière : des milliers de milliards d'entre elles traversent votre corps chaque seconde sans laisser de trace. Pourtant, ce sont elles qui emportent la majeure partie de l'énergie lors de l'explosion d'une supernova. Lorsqu'une étoile massive a épuisé son combustible, son noyau s'effondre, déclenchant une réaction en chaîne qui donne naissance à environ 10^58 neutrinos — un nombre que l'esprit humain peine à se représenter. La lumière, que nous percevons sous forme d'un éclat brillant, ne constitue qu'environ 1 % de l'énergie de l'explosion. Le reste s'évapore sous la forme de ces particules insaisissables.
Jusqu'à présent, les astronomes n'avaient observé de neutrinos issus que d'une seule supernova : SN 1987A, apparue dans le Grand Nuage de Magellan en 1987. Il s'agissait d'un événement de « voisinage », à seulement 168 000 années-lumière de nous. En revanche, les neutrinos de fond représentent la voix collective de toutes les supernovas ayant éclaté depuis des milliards d'années aux quatre coins de l'Univers. Ils se sont dispersés dans toutes les directions, se sont considérablement affaiblis et ne font plus aujourd'hui que « murmurer » en imprégnant l'espace. En théorie, plusieurs de ces particules devraient traverser chaque centimètre carré de la Terre chaque seconde.
La collaboration internationale Super-Kamiokande a analysé les données recueillies sur 5 002 jours d'observation — de 2008 à 2020 avec de l'eau pure, puis après 2020, suite à l'ajout de gadolinium pour accroître la sensibilité du détecteur. Les scientifiques ont soigneusement filtré le bruit généré par les neutrinos atmosphériques, les rayons cosmiques et d'autres parasites. Dans une plage d'énergie comprise entre 13 et 81 MeV, ils ont réussi à isoler un signal statistiquement significatif qui concorde avec les prédictions des modèles DSNB. Le signal correspond à environ 3,6 neutrinos par centimètre carré par seconde, une valeur située dans la fourchette attendue. La pertinence statistique est pour l'instant de 2,6σ : ce n'est pas encore une découverte pleine et entière (laquelle nécessite généralement 5σ), mais c'est le premier « écho » convaincant de l'histoire.
Pourquoi est-ce si important ? Les supernovas sont les principales « forges » d'éléments lourds dans l'Univers. Le fer présent dans votre sang, le calcium de vos os, l'oxygène que nous respirons : tout cela a un jour été projeté dans l'espace par l'explosion d'étoiles anciennes. En étudiant les neutrinos de fond, nous avons l'opportunité d'examiner les statistiques de ces explosions sur toute la durée de l'histoire cosmique : leur nombre, leur énergie et leur influence sur l'évolution chimique des galaxies. C'est une fenêtre ouverte sur les processus qui ont façonné le monde même dans lequel nous existons.
Bien que le signal reste faible, le Super-Kamiokande continue d'accumuler des données, et de nouveaux détecteurs le rejoindront prochainement. Le discret murmure des fantômes cosmiques se transforme peu à peu en un récit clair de la vie dramatique des étoiles. Et chaque nouveau photon ou chaque flash de lumière dans l'immense réservoir souterrain nous rapproche de la compréhension de la genèse et de la pérennité de notre Univers.
