Kamiokande, le 5 juin 1998. Cette ville, située à 200 km au nord de Tokyo, abrite le plus grand détecteur de neutrinos du monde, censé piéger dès énigmatiques particules de matières sans masse et ni charge électrique. En ce mois de juin, ce au lieu de la physique accueillie la réunion internationale "Neutrino 98" qui, tous les deux ans, dresse le bilan des connaissances sur cette particule. Le colloque à démarrer une depuis deux jours à peine quand une rumeur se met à circuler: l'un des participants va faire une déclaration d'importance, on attend un scoop. S'agit-il d'une nouvelle manière de piéger les neutrinos ? De la détection d'un nouveau type de particule ? Rien de tout cela. La surprise vient de l'équipe américano-japonaise locale qui, mesures à l'appui, annonce: " le neutrino à une masse. " Un résultat très surprenant car il va à l'encontre de ce que l'on supposées de ces étrangers particules. Plus de 500 personnes étaient présentes dans la salle. Toutes se sont levées pour applaudir Les conférenciers ", se souvient Michel Spiro, du commissariat à l'énergie atomique ( CEA ). Une fois le colloque terminé et le remue-ménage médiatique passé, chacun est reparti chez soi examiner la pertinence de ces conclusions et les conséquences de la toute nouvelle masse du neutrino. Au fil des jours et des discussions, l'affaire prend l'allure d'une bonne farce car la malicieuse particule nous cache encore l'essentiel... Pourtant la partie semblait plutôt bien engagée. Le résultat avait de quoi susciter beaucoup d' émoi chez les scientifiques. La masse des neutrinos pourrait changer notre manière de voir le monde. En effet, au vu des mouvements des galaxies, les astrophysiciens sont persuadés que la masse visible de l'univers ne représente que 1 % de la matière existante. Les 99 % restants - l' hypothétique masse manquante - ce cacheraient soit sous la forme de particules exotiques ( car pas encore identifiées ) ou ordinaire (avec , comme éventuels candidats les neutrinos ,s'ils étaient dotés de masse ), soit sous la forme de matière sombre, comme elle les naines brunes. Bref, pour faire le compte de toute la matière présente dans l'univers , les cosmologistes doivent trancher sur l'épineuse question de la masse du neutrino. C'est pourquoi, pendant des décennies, les astrophysiciens discouraient sur l'air du " ah si les neutrinos avaient une masse ..." à chaque fois qu'ils évoquaient les énigmes de l'univers. À les entendre , le neutrino déciderait du futur du monde...

Reste donc à savoir ce qu'avaient effectivement mesuré les chercheurs de Kamiokande. Leur piège à neutrinos est capable de capter un seul de ces fugitifs sur 100 milliards reçus. Autant dire pas grand chose... Pourtant, c'est une performance car des milliards de milliards de ces petites fusées traversent chaque seconde la terre de part en part sans se faire intercepter. Pour comprendre la subtilité de ces mesures, mieux vaut s'attarder un peu sur la nature de la proie. Les neutrinos pullulent toute autour de nous: chaque centimètre cube de l'espace contient 330 de ces particules créées lors du big-bang. Ils forment ainsi un fond cosmologique à 1.7 K, à l'instar du fameux le rayonnement fossile à 3 K , dans lequel il est d'ailleurs totalement noyé. La détection de ce flot de neutrinos dans lequel baigne l'univers n'est pas encore pour demain. À cet héritage des premiers instants, s'ajoutent les neutrinos solaires, produit par les réactions nucléaires au coeur de notre étoile. Chaque centimètre carré de la surface du soleil nous en envoi 1milliard par seconde. "Pour arrêter la moitié de ces neutrinos , il faudrait un mur de plomb d'une épaisseur de une année de lumière ", explique Hervé de Kerret du Laboratoire de physique corpusculaire et cosmologie du collège de France. Enfin, les rayons cosmiques, en réagissant avec la haute atmosphère de la terre, produisent également des neutrinos, sans compter ceux qui naissent dans les centrales nucléaires et les accélérateurs de particules.
Quelle que soit leur origine, ces neutrinos se répartissent en trois variétés, chacune associée à une des trois particules de matière suivante: l'électron, le tau et le muon (très nombreuses après le big-bang, ces deux dernières ne se rencontre plus aujourd'hui qu'à proximité des grands accélérateurs et dans les rayons cosmiques). Les neutrinos portent le nom de leurs compagnon: on parle de neutrinos électronique, muonique et tau, jusqu'à présent tpus supposés de masse nulle.

Le consensus autour de l'absence de masse des neutrinos cachés en fait la difficulté à mettre au point des expériences les concernant. Par exemple, malgré les détecteurs de plus en plus précis, les physiciennes étaient loin d'enregistrer le nombre de neutrinos que devait théoriquement libérer le soleil. Même ce produit dans la haute atmosphère manqué à l'appel. Face à ce déficit chronique , une hypothèse audacieuse fut alors formulée: et si ces particules changaients d'identité en cours de chemin ? Ainsi, des neutrinos muoniques, nés dans la haute atmosphère de la terre, arriveraient sous la forme de tau dans le détecteur... Bref, partis avec la tête du docteur Jekyll , ils apparaîtraient sous les traits de Mister Hyde pour fausser les pistes. Ce changement d'identité n'est autorisée que par les lois de la mécanique quantique qu'à condition que le neutrino possède une masse , même petite. C'est donc dans cette direction que les recherches ont été orientées: qui dit oscillations, implique masse…

Mais en juin dernier, aucune tentative dans ce sens n'avait abouti. D'où la conclusion que les neutrinos devaient être des particules sans masse. Or, c'est précisément cette oscillation qu'ont enfin mis en évidence les chercheurs qui ont utilisé Super-Kamiokande, le nouveau détecteur en service depuis un an et demi. ''Le nombre d'évenements enregistrés fait que le résultat est solide '', explique Hervé de Kerret. Les neutrinos auraient bien une masse, ''un résultat très important. Quand à donner une valeur à cette masse c'est une autre paire de manches.'' La mise en évidence d'une oscillation nous donne une indication sur la différence entre deux masses, celle du neutrino tau et celle du neutrino muonique. ''Mais ne nous savons pas grand chose sur la valeur de chaque masse'', ajoute t'il.

Du coup, tous ceux qui croyaient venir ainsi à bout du problème de la matière noire et de l'avenir de l'univers reste sur leur faim. Ils ne peuvent que se rabattre sur quelques estimations car les physiciens des particules se doutaient bien que les neutrinos n'avaient pas encore dévoilé leur nature profonde. Avant même les résultats de Kamiokande, différentes équipes avaient envisagé l'éventualité de la masse des neutrinos et s'étaient dans sa détermination par des chemins expérimentaux compliqués. A l'arrivée, les résultats, variant du simple au centuple donnaient juste une limite supérieure à la valeur de cette masse. Dernière ne date, l'estimation faite au laboratoire de l'accélérateur linéaire d'Orsay ( LAL ) qui, moyennant quelques hypothèses vraisemblables, donne la masse du neutrino électronique inférieure à 0,1eV ! C'est à dire 10 000 000 de fois moins que la masse de l'électron. La masse des deux autres variétés de neutrinos reste encore à determiner. ''Ce qui traduit la difficulté des mesures, estime Hervé de Kerret. Toutefois, le fait de savoir que les masses des neutrinos tau et muonique sont peut différentes rend intuitivement improbable l'éventualité d'une masse trop importante pour chacune d'entres-elles''.

Résultat: le neutrino est bien doté d'une masse mais tant que sa valeur n'est pas connue précisément, on ne peut que se rabattre sur des suppositions. Dans ce cadre, chacun y va de son scénario. Le plus plausible prévoit que ces poids plumes seraient bien trop légers pour expliquer la masse manquante de l'univers. ''Pour que les neutrinos constituent un bon candidat pour la matière invisible, il faut que leur masse soit comprise entre 7 et 30 eV précise Réza Ansari du LAL. D'après nos estimations, ils représentent au bas mot cent fois moins. On ne peut expliquer ainsi qu'une partie infime de la masse manquante de l'univers : entre 0.001 et 0.01 de celle-çi ''. Les neutrinos ne participeraient donc au mieux qu'à hauteur de 1% à cette hypothétique matière invisible…

On est loin du compte". Le seul enseignement que l'on puisse tirer que la nature de la masse cachée de l'univers est diverse, commente Marc Lachièze-Rey du service d'astrophysique du CEA. Elle n'est pas faite uniquement de particules exotiques ou de matière sombre. C'est la conclusion vers laquelle on s'achemine depuis est certain temps déjà. "
Au final, cosmologistes et physiciens des particules ne peuvent que lorgner du côté du Cern. Le laboratoire européen pour la physique des particules, à Genève, concocte un projet susceptible de les intéressér. Il pourrait confirmer de nouveau, et de manière beaucoup plus précise, le résultat de Kamiokande , en renvoyant un faisceau pur et calibré de neutrinos à cette 700 km de là, à travers à la Terre, sous le tunnel de Gran Sasso, en Italie. Le fameux laboratoire souterrain est truffé de détecteurs dédiés à la physique des particules. Connaissant exactement les caractéristiques du faisceau de neutrinos envoyés par le Cern , les installations italiennes fourniront peut être aux physiciens la clef qui leur permettra d'affecter une masse à chaque neutrinos.
Ce projet qui existe, physiciens des particules et cosmologistes, attendent toujours des crédits que la communauté scientifique devra voter cet hiver. La nouvelle de la masse des neutrinos arrive donc à point pour ouvrir les vannes des finances…

Article paru dans Ciel et Espace n°339 d'Août 1998.