Francis Halzen a remporté le prestigieux Prix Balzan 2015. Sous l'impulsion du Belge, actif aux Etats-Unis depuis de nombreuses années, le plus grand détecteur de neutrinos au monde a été construit en Antarctique.
Le célèbre magazine scientifique Physics World à la fin de 2013, a proclamé l'observation de 28 neutrinos de haute énergie scientifique 'Breakthrough of the Year'. Repérées par le télescope IceCube South Pole, les particules élémentaires contiennent des informations sur les processus qui se déroulent dans les confins du cosmos. Le père spirituel d'IceCube est un Belge :Francis Halzen, qui a émigré aux États-Unis il y a quarante ans. Il y a trente ans, il a été le premier à proposer un gigantesque détecteur de neutrinos en Antarctique. Aujourd'hui, Halzen dirige toujours la recherche avec "son" observatoire de neutrinos IceCube, impliquant 280 physiciens de 42 institutions - dont l'Université de Gand, les deux universités bruxelloises et l'Université de Mons.
▲ Le laboratoire IceCube au pôle Sud. Le gigantesque détecteur est à un mile sous la glace.
Comment fonctionne IceCube ? "La façon la plus simple d'imaginer votre IceCube est comme un télescope qui regarde l'univers, mais utilise des neutrinos au lieu de rayons lumineux. À tout moment, des millions de ces particules élémentaires traversent le détecteur. La majeure partie vient du soleil ou de notre atmosphère – cela ne nous intéresse pas. Mais il y a aussi des particules qui se sont formées dans les parties les plus extrêmes du cosmos. Comme les neutrinos n'ont pas de charge électrique et pratiquement pas de masse, ils traversent les étoiles et les planètes sans entrave et en ligne droite. Ils arrivent "en bon état" dans notre détecteur, où nous étudions leurs propriétés et leur origine.'
"Le détecteur est un bloc de glace géant :un kilomètre cube de taille, un mile sous le pôle Sud. Nous venons de construire l'appareil de mesure qui enregistre les événements dans ce bloc de glace. Répartis sur un kilomètre carré de glace, 86 tubes de deux kilomètres et demi de profondeur ont été forés avec un puissant jet d'eau chaude. Un câble a ensuite été descendu dans chaque tube, contenant chacun 60 détecteurs photosensibles. Au total, 5 160 détecteurs sont gelés dans la glace. Environ un neutrinos sur un million traversant la glace entre en collision avec un proton ou un neutron dans le noyau d'un atome d'hydrogène ou d'oxygène. Les débris d'une telle collision contiennent une particule de muon chargée négativement, qui se déplace à travers la glace dans la même direction que celle dans laquelle le neutrino a frappé. Il émet une lumière bleue :la lumière dite Cherenkov. Les capteurs captent cette lumière et la convertissent en un signal qui est envoyé à des ordinateurs très puissants dans l'observatoire de surface."
Comment faites-vous la différence entre les neutrinos "locaux" et les particules produites en dehors de notre système solaire ?
"Les capteurs ne sont sensibles qu'aux particules à très haute énergie. Les neutrinos qui nous intéressent ont un niveau d'énergie de plus d'un millier de téraélectronvolts. C'est un milliard de fois plus d'énergie que les neutrinos du soleil. Le Large Hardon Collider (LHC), le plus grand accélérateur de particules au monde, a produit des faisceaux de particules d'une énergie de sept téra-électron-volts pour prouver l'existence du boson de Higgs. Cette quantité d'énergie est comparable à un train à grande vitesse heurtant un mur à 150 kilomètres à l'heure.'
En novembre 2013, votre groupe de recherche a publié un article dans Science qu'IceCube avait trouvé 28 particules de haute énergie. Un mois plus tard, une autre revue de premier plan, Physics World, a nommé la découverte "Percée de l'année". Deux particules ont été nommées Bert et Ernie. Qu'est-ce qui les rend si spéciaux qu'ils méritent un nom ?
"Ce nom n'est pas si inhabituel. Nous nommons également les capteurs d'IceCube d'après les voitures, les oiseaux, les brasseries, les vins, etc. Les capteurs ont aussi un code numérique officiel, bien sûr, mais les vrais noms simplifient notre communication. Si un capteur crache, alors on parle de problèmes avec la Mercedes ou la cigogne, par exemple. C'est ainsi qu'est née l'idée de convertir nos premiers neutrinos en personnages de The Muppets ou Rue Sésame appeler. Entre-temps, nous avons trouvé 28 particules de haute énergie, et il y en aura d'autres. Nous risquons donc de manquer de Muppets. Bert et Ernie diffèrent des autres neutrinos car ils sont les premiers neutrinos détectés sur Terre avec un niveau d'énergie de mille téra-électron-volts. Les 26 autres ont un niveau d'énergie plus faible, une trentaine de TeV.'
D'où viennent ces neutrinos ?
'Des publications apparaissent régulièrement par des théoriciens qui spéculent sur son origine. Ils peuvent se former lors d'explosions massives de supernova ou à proximité de trous noirs supermassifs. Mais en fait on ne sait pas. Nous traçons l'orbite de chaque neutrino que nous captons dans le détecteur sur une carte 3D de l'univers. L'intersection de toutes ces orbites devrait montrer où les particules ont été produites. Mais sur la base des 28 neutrinos de haute énergie que nous avons observés jusqu'à présent, nous ne pouvons identifier que de vastes régions d'origine dans l'univers. Pour trouver la source exacte, nous devons collecter encore plus de données. Mais nous apporterons bientôt des réponses. J'en suis convaincu."
La découverte de ces neutrinos cosmiques est-elle le summum d'IceCube pour vous ?
"Pas vraiment. À mon avis, c'est à ce moment-là, à la fin des années 1990, qu'il est devenu clair que le détecteur fonctionnait vraiment. Quand j'ai parlé de mon idée il y a trente ans, des collègues l'ont aimée, mais ils étaient convaincus que ça ne marcherait jamais. Tout comme moi, d'ailleurs. Mais nous avons rendu le concept plus concret, et nous avons donc réussi à lever des fonds pour le projet. Il a ensuite fallu sept autres années de travail acharné pour construire IceCube. L'un des plus grands défis a été de concevoir une perceuse à eau chaude pour insérer les câbles dans la glace. Lorsque le détecteur s'est allumé, nous avons observé des neutrinos d'une énergie d'environ 20 TeV. Complètement inintéressant. Mais que le détecteur fonctionne réellement était au moins aussi excitant pour moi que notre grande percée l'année dernière.'
La pureté de la glace centenaire est impossible à imiter dans un laboratoire
Pourquoi le détecteur est-il au pôle Sud ?
« D'abord et avant tout :il y a de la glace, et beaucoup. Les collisions entre les neutrinos de haute énergie et les particules dans la glace sont si rares que le détecteur doit couvrir un volume énorme pour n'en manquer aucune. De plus, la glace centenaire a une pureté impossible à reproduire en laboratoire. Grâce à cette pureté, la lumière bleue Cherenkov s'étend beaucoup plus loin et nous avons dû placer moins de capteurs dans la glace.'
« Mais pour être honnête :nous ne le savions pas à l'avance. C'était juste un coup de chance que la glace se soit révélée si translucide. La vraie raison pour laquelle nous sommes allés au pôle Sud était la station de recherche qui s'y trouvait déjà. Sans cette station, IceCube n'aurait jamais vu le jour. Après tout, vous ne pouvez pas simplement construire un gigantesque détecteur dans un endroit inaccessible. Vous avez besoin de matériaux de construction, d'espace pour des dizaines d'ingénieurs et de chercheurs et de vols fréquents vers et depuis la civilisation.'
Travaillez-vous souvent sur place ?
"Non. Je n'ai pas besoin d'être là. En tant que chercheur principal, je veux montrer l'exemple en n'allant pas au pôle Sud en tant que "touriste". Il y a tellement de recherches scientifiques en cours que la véritable limite de la recherche réside dans le nombre de lits disponibles. À un moment donné, nous avons envisagé de faire partager le même lit à deux chercheurs :l'un la nuit, l'autre le jour. Nous avons également la même limitation avec le nombre d'ordinateurs disponibles. Il y a toujours un concours pour les places disponibles. Je suis un théoricien. Je ne peux vraiment rien faire là-bas. Il y a beaucoup d'expertise dans cette expérience, mais personne ne pouvait penser à une tâche pour moi (rires).'
Combien de scientifiques ont cette chance ?
'Petit. Vous ne pouvez pas vraiment faire grand-chose là-bas. IceCube est profondément enfoncé dans la glace. Si quelque chose se brise, il est perdu à jamais. La récupération est impossible car vous ne pouvez pas l'atteindre. Tout ce qu'il y a à la surface est un immeuble de deux étages rempli d'ordinateurs. L'été dernier, aucun physicien ne s'est rendu au détecteur, seulement du personnel de maintenance. L'été précédent, il y avait peut-être dix personnes. La moitié pour remplacer les vieux ordinateurs, l'autre moitié pour réparer l'électronique. De février à octobre, la station du pôle Sud sera de toute façon fermée, car alors aucun vol n'est possible. Deux personnes resteront avec IceCube tout l'hiver.”
Quelle est l'importance de la contribution des chercheurs belges ?
‘Le groupe mené par la VUB-ULB et l’UMons est actuellement le plus important dans la recherche de matière noire. Pour une large classe de modèles théoriques, IceCube est le détecteur le plus sensible. L'espoir est donc très grand qu'ils soient bientôt les premiers à trouver de la matière noire. Des scientifiques de l'Université de Gand collaborent également sur IceCube. Ils analysent les données du détecteur à la surface de la glace. La chercheuse gantoise Freija Descamps a passé une année ininterrompue au pôle Sud pour surveiller le détecteur. Neuf mois de cela se sont déroulés dans un isolement complet, avec seulement une obscurité totale et des températures de cinquante degrés en dessous de zéro à l'extérieur. »
Est-ce bien d'être reconnu par la Belgique avec ce doctorat honorifique (Francis Halzen a reçu un doctorat honorifique de Gand en 2014, ndlr) ?
'Énorme. Au cours des quarante dernières années, j'ai perdu le lien avec la Belgique. Je pensais qu'ils m'avaient oublié là aussi. Vous savez, la science m'a emmené dans les endroits les plus reculés du monde, mais Gand est l'endroit le plus exotique où j'aurais pu recevoir un doctorat honorifique (rires). Cela m'a marqué."
Vous serez bientôt ici plus souvent, car vous donnerez alors des conférences dans différentes universités via la Chaire Francqui. Que voulez-vous absolument faire en Belgique ?
"Rendez visite à ma famille. Faire du vélo. Et partez en mer. J'ai oublié à quoi ressemble la Belgique. Je suis très curieux."
Francis Halzen
Francis Halzen (Tienen, 1944) a étudié les mathématiques et la physique à la KU Leuven et a obtenu son doctorat en physique théorique. Il est associé à l'Université du Wisconsin-Madison (États-Unis) depuis 1971. Entre-temps, Halzen a également travaillé au CERN et dans les universités de Durham et de Tokyo. En 2013, en tant que directeur du Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center (WIPAC), il a reçu le Physics World Breakthrough of the Year Award pour l'observation des premiers neutrinos cosmiques.
