Le prix Nobel de physique 2026 récompense un télescope enfoui à 2 km sous la glace du pôle Sud

Les accélérateurs de particules les plus puissants de l’Univers ne se trouvent pas sur Terre, et durant des décennies, personne n’a pu dire où ils étaient. Francis Halzen est parti à leur recherche dans un kilomètre cube de glace sous le pôle Sud, équipé de milliers de capteurs lumineux destinés à saisir les particules les plus insaisissables de la physique. L’Académie royale des sciences de Suède vient de lui attribuer le prix Nobel de physique pour ce détecteur et pour ce qu’il a découvert, et il n’a pas à le partager.

Le détecteur s’appelle IceCube, et il a capté les premiers neutrinos de haute énergie dont on sait qu’ils proviennent de bien au-delà du Système solaire. Les neutrinos n’ont pas de charge électrique et presque aucune masse, et environ 65 milliards d’entre eux issus du Soleil traversent chaque seconde votre petit ongle sans toucher le moindre atome. Parce qu’ils voyagent en ligne droite et traversent poussière, gaz et champs magnétiques, les rares neutrinos cosmiques indiquent en retour les lieux violents où ils sont nés. Ils constituent ainsi une nouvelle sorte de télescope, capable d’observer des régions dont la lumière ne peut s’échapper.

Halzen, physicien né en Belgique à l’Université du Wisconsin–Madison, a été récompensé « pour ses contributions décisives à l’IceCube Neutrino Observatory et à la découverte de neutrinos de haute énergie d’origine astrophysique ». Il est la première personne depuis 34 ans à remporter seul le prix de physique, et il reçoit l’intégralité des 12 millions de couronnes suédoises. « Francis Halzen a dirigé une équipe internationale de chercheurs et d’ingénieurs qui nous a offert un instrument extraordinaire. Sa ténacité et sa vision scientifique ont ouvert la voie à une nouvelle forme d’astronomie », a déclaré Mark Pearce, président du comité Nobel de physique.

Pourquoi il faut un glacier pour trouver un accélérateur cosmique

L’espace est traversé de rayons cosmiques, principalement des protons nus, dont certains arrivent avec des énergies jusqu’à un million de fois supérieures à celles qu’un laboratoire terrestre peut atteindre. Quelque chose, là-dehors, les accélère, peut-être des étoiles qui explosent ou les jets de trous noirs supermassifs. Les protons ne peuvent pas révéler le coupable, car les champs magnétiques courbent leurs trajectoires en chemin ; lorsqu’ils frappent notre atmosphère, leur direction ne signifie donc plus rien.

Les mêmes processus qui accélèrent les protons devraient aussi produire des neutrinos, que les champs magnétiques ne dévient pas. Le problème est que les neutrinos n’interagissent presque jamais avec quoi que ce soit. Dans les rares cas où l’un d’eux heurte un noyau atomique, il produit une particule chargée qui file à travers la matière en émettant une faible lueur bleue. Dans un milieu transparent, des capteurs peuvent enregistrer cet éclair et reconstituer l’origine du neutrino. Les neutrinos cosmiques sont si rares qu’il faut un immense volume transparent pour n’en capturer ne serait-ce qu’une poignée.

L’idée de Halzen était que la calotte glaciaire antarctique constituait déjà ce volume. À grande profondeur, elle est plongée dans une obscurité permanente, dépourvue des organismes vivants qui perturbent les détecteurs océaniques, peu radioactive et géologiquement stable, sans tremblements de terre.

Comment ils s’y sont pris

Le projet semblait irréalisable. Les équipes devaient faire fondre des trous de plus d’un kilomètre de profondeur à l’aide d’une foreuse à eau chaude qui fonctionne comme une pomme de douche sophistiquée, puis descendre dans l’eau, avant qu’elle ne regèle, des câbles garnis de capteurs lumineux. Halzen décrit chaque capteur comme une ampoule à l’envers : il capte la lumière et la transforme en signal électrique. Tous les travaux de construction devaient tenir dans le court été antarctique, entre novembre et février.

La première tentative, un réseau plus modeste appelé AMANDA, a failli condamner l’idée. À la profondeur où les premiers capteurs ont été installés, la glace était remplie de minuscules bulles d’air qui dispersaient la lumière dans toutes les directions, si bien qu’un éclair perdait sa direction en moins d’un demi-mètre. Plus bas, la situation changeait complètement. Sous environ 1 400 mètres, la glace s’est révélée si transparente que la lumière d’une collision de neutrino pouvait parcourir 300 mètres, bien davantage que ce que quiconque avait anticipé.

IceCube a appliqué cette leçon à une tout autre échelle. Ses 86 câbles sont suspendus entre 1 450 et 2 450 mètres sous la surface, espacés de 125 mètres ; chacun porte 60 capteurs distants de 17 mètres les uns des autres, soit 5 160 capteurs au total. Le kilomètre cube de glace instrumentée pèse environ un milliard de tonnes. L’observatoire est géré par la US National Science Foundation et exploité par une collaboration réunissant quelque 450 personnes issues de 58 institutions dans 14 pays.

Les éclairs qui l’ont prouvé

La plus grande partie de ce qu’observe IceCube n’est que du bruit. Plus de 100 millions de muons créés par les rayons cosmiques dans l’air au-dessus de l’Antarctique atteignent chaque jour les capteurs, et quelques centaines de neutrinos produits dans l’atmosphère, de l’autre côté de la planète, arrivent après avoir traversé toute la Terre. Pour isoler le signal cosmique, l’équipe utilise la couche extérieure du détecteur comme bouclier de veto et ne conserve que les neutrinos qui s’activent à l’intérieur du noyau, loin des bords.

Les deux premiers événements convaincants sont apparus par accident, lors d’une recherche de particules encore plus énergétiques. Chacun a déposé environ un pétaélectronvolt, soit mille billions d’électronvolts, plus de cent fois l’énergie que le Large Hadron Collider transmet à chacun de ses protons. Ces deux événements ont conduit l’équipe à 28 neutrinos de haute énergie dans les mêmes deux années de données, et un échantillon plus vaste a ensuite exclu une origine atmosphérique avec une confiance statistique de 5,7 sigma, au-delà du seuil de 5 sigma que les physiciens utilisent pour revendiquer une découverte.

Le saut par rapport à l’astronomie des neutrinos antérieure est immense. Les neutrinos qui ont valu le prix de physique à Raymond Davis Jr et Masatoshi Koshiba venaient du Soleil et d’une supernova située à 160 000 années-lumière, avec des énergies environ un milliard de fois plus faibles. Le neutrino le plus énergétique détecté jusqu’ici par IceCube transportait une énergie estimée à 11,4 pétaélectronvolts.

Ce que le prix ne règle pas

IceCube a prouvé l’existence d’un flux continu de neutrinos cosmiques, mais n’a pas montré d’où provient la plupart d’entre eux. Les meilleurs candidats restent des candidats. Un neutrino est arrivé depuis la direction d’un blazar en éruption appelé TXS 0506+056, une galaxie dont le trou noir projette un jet vers la Terre, et une recherche dans des données plus anciennes a identifié une émission antérieure depuis le même point à 3,5 sigma, bien loin du niveau requis pour une découverte.

La source individuelle la plus solide à ce jour est la galaxie active NGC 1068, aussi connue sous le nom de M77, située à 46 millions d’années-lumière dans la constellation de la Baleine. IceCube a compté 79 neutrinos provenant de sa direction, à 4,2 sigma. Le texte de référence du comité Nobel indique lui-même que les éléments de preuve ne sont pas encore suffisamment robustes pour qualifier NGC 1068 de source confirmée.

La question de l’attribution du mérite se pose également. IceCube est l’œuvre de centaines de scientifiques et d’ingénieurs, tandis que le prix de physique ne peut être remis qu’à des individus. Le comité a distingué Halzen comme la personne qui a inventé le concept, l’a conçu et l’a dirigé en tant que chercheur principal tout au long de la construction et de l’exploitation.

Questions fréquentes sur le prix Nobel de physique 2026

Qui a remporté le prix Nobel de physique 2026 ?

Francis Halzen, de l’Université du Wisconsin–Madison, l’a remporté seul, pour son rôle décisif dans la construction de l’IceCube Neutrino Observatory et pour la découverte de neutrinos de haute énergie venus de l’espace. Né à Tienen, en Belgique, il reçoit l’intégralité des 12 millions de couronnes suédoises.

Qu’est-ce qu’un neutrino ?

Un neutrino est une particule subatomique sans charge électrique et presque sans masse. Il interagit si faiblement avec la matière que des milliards d’entre eux traversent votre corps chaque seconde sans que vous vous en aperceviez.

Comment IceCube détecte-t-il les neutrinos ?

Lorsqu’un neutrino heurte un noyau atomique dans la glace, il crée une particule chargée qui émet une faible lumière bleue au cours de son déplacement. Plus de 5 000 capteurs enfouis entre 1 450 et 2 450 mètres de profondeur enregistrent cet éclair, et la configuration de la lumière révèle l’énergie et la direction de la particule.

Pourquoi construire un télescope à neutrinos au pôle Sud ?

La glace profonde de l’Antarctique est extrêmement transparente, plongée dans une obscurité permanente, exempte d’organismes vivants et géologiquement stable. La station Amundsen-Scott du pôle Sud, déjà existante, fournissait aussi la logistique, l’électricité et le personnel nécessaires pour forer des trous et construire un détecteur large d’un kilomètre.

D’où viennent les neutrinos cosmiques ?

Personne ne le sait encore avec certitude. IceCube a observé des neutrinos provenant du plan de notre propre Voie lactée et a désigné la galaxie active NGC 1068 ainsi que le blazar TXS 0506+056 comme sources probables, mais aucune de ces sources n’explique l’essentiel du flux.

Quand cela s’est produit, et la suite

Halzen et son collègue John G. Learned ont présenté pour la première fois le concept du pôle Sud lors d’une conférence en Pologne en 1988. Halzen se souvient d’avoir attendu, la veille de Noël 1993, son ordinateur sur les genoux, la nouvelle que le premier câble d’AMANDA était dans la glace. La US National Science Foundation a approuvé le financement d’IceCube en 2002, le détecteur a été achevé en 2011 et les premières preuves de l’existence de neutrinos cosmiques ont été publiées en 2013. Les neutrinos de haute énergie provenant de la Voie lactée ont suivi en 2023.

Des successeurs prennent déjà forme : KM3NeT en Méditerranée, Baikal-GVD dans le lac Baïkal, P-ONE au large de l’île de Vancouver et TRIDENT dans la mer de Chine méridionale. Au pôle Sud, la planification d’IceCube-Gen2 a commencé ; l’installation couvrirait environ huit kilomètres cubes de glace. Halzen recevra sa médaille à Stockholm le 10 décembre.

Référence : IceCube Collaboration, « Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector », Science, 2013. DOI: 10.1126/science.1242856

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