Neutrinos solaires, une première mondiale avec le Portugal

Un phénomène cosmique rarissime vient d'être observé pour la toute première fois : l'interaction directe entre des neutrinos solaires, ces particules fantomatiques issues du cœur du Soleil, et des noyaux atomiques. Derrière cette prouesse technologique et scientifique, un nom ressort : le Laboratoire de Physique Expérimentale et d'Instrumentation (LIP), basé à l'Université de Coimbra, membre fondateur d'un projet mondial baptisé LUX-ZEPLIN (LZ) ¹.

Des neutrinos solaires captés au cœur de la matière

En analysant les données de 417 jours d’observation entre mars 2023 et avril 2025, l’équipe internationale du projet LZ, composée de 250 chercheurs issus de 37 institutions, a détecté un signal inédit : le scattering cohérent élastique de neutrinos avec un noyau atomique, un processus connu sous l’acronyme CEvNS ². Ce phénomène, prédictible depuis des décennies mais extraordinairement difficile à détecter, survient lorsqu’un neutrino interagit avec l’ensemble d’un noyau atomique, provoquant une infime perturbation énergétique. Il s’agit ici de la première « évidence » de ce phénomène causé par des neutrinos d’origine solaire.

Pourquoi est-ce important ? Parce que cela confirme à haute précision la validité du modèle standard de la physique des particules, tout en offrant une nouvelle manière d’explorer l’intérieur du Soleil. Jusque-là, seules des interactions avec les électrons avaient été détectées. Désormais, c’est avec la matière nucléaire que le dialogue s’engage.

Une équipe portugaise au cœur d'un dispositif international

Le détecteur LZ est une prouesse d’ingénierie scientifique. Installé à 1,5 kilomètre sous terre dans le Dakota du Sud, au Sanford Underground Research Facility (SURF) ³, il est isolé de la radiation cosmique afin de capter des signaux d'une extrême rareté. Mais si l’infrastructure est américaine, une part essentielle de l’expertise est portugaise. Le Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas (LIP) ⁴, rattaché à l’Université de Coimbra, est en effet l’un des membres fondateurs de la collaboration LZ.

Des chercheurs portugais, comme Isabel Lopes (professeure à la FCTUC) et Paulo Brás (vice-coordinateur de la physique au sein de LZ), ont joué un rôle décisif dans la conception de l’expérience, l’analyse des données et la compréhension des résultats. Le Portugal est donc pleinement impliqué dans cette avancée historique.

Au cœur du détecteur : 10 tonnes de xénon liquide ultra-pur, maintenu à −98 °C. Ce milieu stable et extrêmement silencieux permet d’enregistrer les effets infimes de certaines particules cosmiques, comme les neutrinos. « Ce n’est pas seulement la détection des neutrinos qui est nouvelle », explique Paulo Brás, « mais le mécanisme extrêmement subtil par lequel ils ont été observés : quelques électrons ou photons à peine, produits par une interaction rare avec un noyau atomique entier. »

Un double jalon : neutrinos et matière noire

En plus de cette percée sur les neutrinos, l’expérience LZ a permis de fixer les limites les plus strictes jamais établies pour la détection directe de particules de matière noire, notamment pour les fameuses WIMPs (weakly interacting massive particles) ⁵ de faible masse. Même si leur existence reste encore à prouver, ces résultats excluent déjà une grande partie des scénarios proposés.

« Comprendre la nature de la matière noire reste l'un des plus grands défis de la physique actuelle », rappelle la professeure Isabel Lopes, qui dirige l'équipe portugaise au sein du consortium LZ. « Nous ne l'avons pas encore détectée directement, mais nous comprenons de mieux en mieux les conditions dans lesquelles elle pourrait interagir avec la matière connue. »

Une première pour le Portugal dans une course mondiale

Le Portugal n'est pas une figure marginale dans ce projet : le LIP y est partie prenante depuis les premières étapes. Cette participation témoigne du niveau d'excellence atteint par la recherche portugaise en physique fondamentale. C'est aussi un signe que les découvertes scientifiques majeures ne sont plus réservées aux grandes puissances traditionnelles. Le pays s'impose, pas à pas, comme un contributeur crédible dans la quête des mystères de l'univers.

Cette participation témoigne du niveau d'excellence atteint par la recherche portugaise en physique fondamentale.

Le nom de cette caverne souterraine n'est pas un hasard : la « Davis Cavern » est un hommage au pionnier Raymond Davis Jr., premier à détecter les neutrinos solaires dans les années 1960. C'est dans cette même caverne que les chercheurs du XXIe siècle, portugais compris, poursuivent cette exploration de l'invisible. Une belle boucle bouclée.

Et maintenant ? Objectif 2028

L'expérience LZ se poursuit. L'objectif est d'atteindre les 1000 jours de collecte de données d'ici à 2028. Ce nouveau cycle permettra d'améliorer encore la sensibilité du détecteur, d'affiner les modèles existants et, peut-être, de révéler des phénomènes encore inconnus. En physique, ce sont souvent les déviations minuscules qui ouvrent les plus grandes révolutions.

Le fait que des chercheurs portugais participent à cette quête de l'infiniment petit, tout en contribuant à une meilleure compréhension de l'univers, montre que même depuis la périphérie apparente de la science mondiale, on peut avoir un impact profond sur notre vision du cosmos. Et c'est, au fond, l'une des plus belles leçons de cette aventure scientifique.