Tous les physiciens de ma génération qui ont étudié dans le domaine de la physique nucléaire et des particules ont eu un flash proustien lorsqu'ils ont entendu le nom du lauréat du prix Nobel de physique 2026 : Francis Halzen. Comme un goût de madeleine atomique dans la bouche. En effet, nous avons tous sué sur le « Halzen et Martin », comme on l'appelait alors. Ce livre de cours, ou textbook, nous donnait enfin une vision phénoménologique des inextricables équations quantiques que nous résolvions du matin au soir dans nos chambres d'étudiants.

Ce livre avait quelque chose de concret, quelque chose qui permettait d'interpréter la théorie quantique fondamentale et ses équations ondulatoires en termes de particules, d'interactions, de détection et de signaux. Déjà, toute la force de la pensée de Francis Halzen était concentrée dans ce petit bijou de quelque 400 pages, que je conserve encore sur mon étagère de chercheur, trente ans plus tard.

Francis Halzen est le deuxième physicien belge à remporter la récompense suprême, après François Englert, récompensé en 2013 pour ses travaux théoriques sur le mécanisme de Higgs, dont la particule associée avait été découverte en 2012. Et je peux vous dire que c'est mérité. Mais pourquoi ?

Halzen s'intéresse depuis très longtemps aux neutrinos, des particules particulièrement insaisissables. C'est un théoricien qui a progressivement migré de la construction de modèles mathématiques décrivant ces particules vers l'expérimentation, c'est-à-dire vers la conception de véritables pièges cosmiques. Mais revenons d'abord sur la nature du neutrino.

Cette particule fut proposée en 1930 par l'un des fondateurs de la mécanique quantique, Wolfgang Pauli, afin d'expliquer où disparaissait une partie de l'énergie dans les réactions nucléaires de type désintégration bêta. Il postula donc l'existence d'une petite particule neutre, qu'il baptisa initialement « neutron ». C'est Enrico Fermi qui lui donnera plus tard le nom de « neutrino », le suffixe italien « ino » signifiant « petit ». Cette particule était si légère et interagissait si peu avec la matière qu'il aurait fallu pour l'arrêter, un mur de plomb d'une épaisseur de la distance entre le soleil et l'étoile la plus proche, Proxima !

En 1956, les physiciens Frederick Reines et Clyde Cowan décident de placer un piège à neutrinos à proximité d'un réacteur nucléaire, qui en émet des quantités considérables. Le nombre compensant la faiblesse de l'interaction, ils espéraient en voir au moins un passer dans leur détecteur. Et… bingo ! Prix Nobel à la clef.

Puis, des physiciens se mettent en tête d'essayer de piéger des neutrinos cosmiques, issus des événements astrophysiques les plus violents, comme les supernovae, ces explosions d'étoiles massives, ou les phénomènes extrêmes qui se produisent au voisinage des trous noirs. Certains de ces neutrinos possèdent des énergies phénoménales. Pour les détecter, les dispositifs utilisés par Cowan et Reines sont largement insuffisants.

Halzen propose alors une idée extraordinaire : transformer la glace antarctique en un détecteur géant. Creuser des dizaines de puits verticaux dans la calotte glaciaire et y installer des milliers de capteurs de lumière, jusqu'à près de 2,5 kilomètres de profondeur, à deux pas de la station Amundsen-Scott, au pôle Sud. Le projet est fou, mais… il est accepté et financé par les autorités scientifiques américaines.

La glace de l'Antarctique, à ces profondeurs, est en effet d'une pureté exceptionnelle et pratiquement dépourvue de bulles d'air. Lorsqu'un neutrino la traverse, il peut exceptionnellement entrer en collision avec un noyau atomique et produire une particule chargée, parfois un muon, qui se propage à une vitesse supérieure à celle de la lumière dans la glace. Un effet analogue au « bang » du mur du son se produit alors, mais cette fois au niveau électromagnétique. C'est l'effet Tcherenkov. Une lumière bleutée surgit alors, captée par les détecteurs : le neutrino a été démasqué !

Ces neutrinos hyperénergétiques, issus des confins de l'Univers, sont des messagers extraordinaires pour les astrophysiciens. Si leur très faible interaction avec la matière constitue un problème pour les physiciens des particules, puisqu'elle les rend si difficiles à détecter, elle représente au contraire une bénédiction pour les astrophysiciens. Pour la même raison, ils conservent une grande partie des informations sur leur naissance, notamment à travers leur direction et leur spectre d'énergie.

Ils traversent en effet des millions, voire des milliards d'années-lumière, pratiquement sans être influencés par les nuages de gaz interstellaires qu'ils rencontrent. Un peu comme si un archéologue voyait soudain apparaître devant lui un dinosaure vivant, qu'il pourrait alors étudier à loisir ! L'expérience s'appelle IceCube (« cube de glace » en anglais) et a détecté, depuis 2013, des centaines de neutrinos cosmiques de très haute énergie.

C'est la naissance d'une astronomie dite « multimessager », c'est-à-dire que les physiciens observent désormais les phénomènes astrophysiques non seulement à travers la lumière qu'ils émettent, sous forme de photons, mais également grâce aux neutrinos. Les uns complètent les informations apportées par les autres, permettant de mieux comprendre les mécanismes physiques à l'œuvre dans les phénomènes les plus violents de l'Univers.

À cela s'ajoute, depuis quelques années, l'observation des ondes gravitationnelles, notamment émises lors de la fusion de trous noirs ou d'étoiles à neutrons. Elles complètent désormais le trio des messagers du cosmos : photons, neutrinos et ondes gravitationnelles.

Trois manières différentes de regarder le même Univers, qui nous permettent désormais de lire les chapitres de son histoire avec une clarté que nous n'aurions jamais imaginée il y a seulement quelques décennies. Pour en savoir plus : Il était 7 fois l'Univers, aux éditions Albin Michel.