A l’écoute du bruit de fond des supernovae

Une grande partie des éléments chimiques qui composent notre monde ont été assemblés au cœur des étoiles, par fusions successives d’atomes. Certaines étoiles, celles qui font plus de huit fois la masse du Soleil, finissent en supernovae, c’est-à-dire un cataclysme qui éjecte toute leur matière.  Elles laissent derrière elles une étoile à neutrons ou un trou noir. Elles dispersent aussi dans l’Univers ces éléments (en en créant d’autres au passage). En dépit des efforts, les mécanismes de ces explosions et leur fréquence restent encore assez peu connus.

Néanmoins, des messagers invisibles pourraient nous renseigner. En effet, 99% de l’énergie de ces explosions prend la forme de neutrinos, des particules élémentaires. Avec toutes les supernovae qui ont lieu dans l’Univers observable, il devrait exister un « bain » de neutrinos d’étoiles, qui devrait pouvoir être détecté sur Terre comme un léger bruit de fond.

Un détecteur énorme pour une particule fugace

C’est un des buts de Super-Kamiokande, une gigantesque cuve remplie de 50 000 tonnes d’eau (et un soupçon d’un autre élément, le gadolinium) située au Japon. Les scientifiques cherchent surtout des particules appelées antineutrinos électroniques. Lorsqu’un antineutrino électronique arrive, il peut interagir avec un proton contenu dans l’eau. La probabilité d’interaction est faible, d’où la nécessité d’avoir un grand volume pour avoir plus de chance d’observer quelque chose. La réaction émet un positron (identique à l’électron, mais avec une charge électrique positive) et un neutron. Le positron émet de la lumière en traversant l’eau et s’annihile avec un électron. Le neutron est « capturé » par un noyau d’atome, ce qui produit également des flashs lumineux. Placés tout autour de la cuve, une multitude de capteurs perçoivent ces lumières et permettent de reconstruire les caractéristiques et la trajectoire du neutrino.

Lors de la récente conférence Neutrino 2026, la collaboration Super-Kamiokande a annoncé avoir une première indication de l’existence du fond diffus de neutrinos de supernovae, qui serait en moyenne de 3,6 neutrinos par seconde et par centimètre carré (avec une incertitude de plus ou moins 1,6). « Ce résultat correspond à une significativité statistique de 2,6 sigmas, soit un niveau de confiance d'environ 99,5%, en dessous du seuil de 5 sigmas requis en physique des particules pour parler de découverte confirmée, mais nous continuons les observations » précise Thomas Mueller, chercheur CNRS au LLR et membre de Super-Kamiokande.

Minimiser les erreurs

Le détecteur, en fonctionnement depuis 1996, accumule les données de cette analyse spécifique depuis 2008, c’est-dire si la patience et la minutie sont de mise dans ce domaine de pointe. Outre le fait que les neutrinos échappent facilement à l’observation, la difficulté vient aussi des nombreux bruits parasites. En effet, le Soleil, les rayons cosmiques qui arrivent dans l’atmosphère de la Terre, ou les réactions nucléaires dans les centrales électriques constituent autant de sources de quantités considérables de neutrinos. Il s’agit donc de sélectionner les bonnes caractéristiques du signal dans Super-Kamiokande (l’énergie, le type de neutrino, etc.) afin de minimiser les risques d’erreurs. 

« Nous avons une marge de progression à basse énergie, où les neutrinos en provenance des supernovae sont plus nombreux mais où il y a un seuil en dessous duquel il devient très dur de les distinguer des particules produites dans les réacteurs nucléaires. Nous essayons de diminuer ce seuil de détection » explique Thomas Mueller. Un travail de précision qui permettra d’ici quelques années d’en apprendre plus sur l’évolution de l’Univers.

*LLR : une unité mixte de recherche CNRS, École polytechnique, Institut Polytechnique de Paris, 91120 Palaiseau, France