« Je suis très sélectif vous savez, mais je vous lis dans l’avion lorsque je rentre en Europe ». Francis Halzen a choisi L’Express pour sa première interview dans la presse française depuis son Prix Nobel, le 6 octobre dernier. Le physicien belgo-américain âgé de 82 ans, professeur à l’Université du Wisconsin–Madison, a notamment été récompensé pour avoir imaginé un télescope là où personne n’en cherchait : sous la glace du pôle Sud. Son idée saugrenue, défendue pendant près de quarante ans, a donné naissance à IceCube, un kilomètre cube de glace antarctique instrumentée de capteurs enfouis jusqu’à 2 500 mètres sous la surface antarctique, conçu pour capter les neutrinos. Ces particules subatomiques venues des profondeurs de l’espace, surnommées « fantômes », sont quasi insaisissables. Officiellement découvertes en 1956, elles sont surabondantes — des milliards traversent chaque seconde chaque être vivant sur Terre, mais ils ne peuvent être détectés qu’au moyen d’instruments spécialement conçus pour capter leurs rares interactions.
Cette récompense vient consacrer une révolution discrète : une nouvelle façon d’observer l’Univers, non plus seulement par la lumière, mais aussi grâce à des messagers venus des environnements les plus violents du cosmos : trous noirs supermassifs, galaxies actives, explosions titanesques. Nous l’avons interrogé sur sa victoire, ses doutes et ses rêves toujours vivaces.
L’Express : Vous avez affirmé que l’annonce du Prix Nobel vous avait fait une impression « étrange ». Que s’est-il passé dans votre tête ce matin-là et qui avez-vous appelé en premier ?
Francis Halzen : Pas grand-chose, en réalité. J’avais participé le week-end précédent à un festival de science à Bergame, en Italie, et je siégeais à un comité de l’INFN, l’agence italienne qui finance la recherche en physique des particules et des astroparticules. J’avais une journée de repos, j’étais dans mon hôtel à Turin, où nous nous réunissions, et je travaillais sur une proposition de projet dans ma chambre. J’étais conscient que je pouvais gagner, mais je l’avais complètement oublié : j’avais bien dormi et je n’attendais pas particulièrement d’appel. Mon téléphone est toujours éteint, même avant le Nobel. Mais ils ont quand même réussi à me joindre : je crois que je l’ai entendu vibrer sur le bureau.
Ce fut un grand soulagement, car cette période de l’année était un peu déprimante pour moi : mes amis, ma famille, mes collègues, tout le monde attendait ce prix. Or en bon théoricien, j’ai une théorie pour tout, et j’avais calculé que j’avais environ une chance sur vingt de l’emporter. On oublie qu’il y a différents domaines en physique, avec de très grands noms dans les autres catégories. Je ne croyais donc pas vraiment que cela arriverait : il aurait fallu que je vive encore vingt ans, ce qui est peu probable.
Par ailleurs, la façon dont le prix a été formulé est fantastique : il reconnaît qu’un millier de personnes ont contribué à ce projet, trois décennies de recherche, de développement et de construction ; puis de science, ces dernières années. J’ai pu rendre hommage à tous ces gens. C’est cela, le grand soulagement.
On les appelle « particules fantômes ». Si un enfant de huit ans vous demandait ce qu’est un neutrino, quelle image ou quelle comparaison utiliseriez-vous ?
La façon la plus simple d’introduire IceCube est de faire une analogie avec la lumière. Quand vous sortez la nuit et que vous regardez le ciel, si vous avez la chance de vous trouver dans l’un des rares endroits où on le voit encore vraiment, vous apercevez notre galaxie, la Voie lactée, puis, très loin, des points lumineux qui sont d’autres galaxies. Nous l’ignorions il y a cent ans. Vos yeux captent des rayons de lumière pour reconstruire une image du ciel.
IceCube, c’est comme vos yeux : il regarde le ciel et il capte des neutrinos. Chaque neutrino est un point dans une direction donnée. Quand le nombre de points augmente, comme sur une photo numérique, nous voyons avec les années une image de l’univers de mieux en mieux résolue.
Sans neutrinos, le Soleil ne brillerait pas et les étoiles n’exploseraient pas. Pouvez-vous nous raconter ce rôle essentiel, qui reste invisible pour nous ?
Le neutrino est l’une des quatre particules qui composent notre matière, avec le neutron, le proton et l’électron. Les gens n’en ont pas conscience, mais il y a plus de neutrinos dans l’Univers que de neutrons, de protons et d’électrons. C’est une part essentielle de la matière. Les neutrinos participent à certaines réactions nucléaires, notamment celles qui transforment un neutron en proton. C’est notamment ce qui se produit au cœur du Soleil.
Masatoshi Koshiba a obtenu son Nobel pour avoir détecté la bouffée de neutrinos de la supernova SN 1987A avec le détecteur Kamiokande, construit au Japon. Son successeur, Super-Kamiokande, mis en service en 1996, a ensuite permis des avancées majeures. Plus tard, Art McDonald et la collaboration SNO, au Canada, ont détecté ces neutrinos du Soleil et les ont étudiés en détail. On a ainsi pu faire une image de notre étoile en neutrinos, comme nous le faisons aujourd’hui pour l’Univers entier. Mais leurs énergies sont minuscules comparées à celles que nous observons avec IceCube : c’est une autre forme d’astronomie.
Utiliser la glace de l’Antarctique comme détecteur passait pour une fantaisie vouée à l’échec. Comment l’idée est-elle née, et que répondiez-vous aux sceptiques ?
Je suis un théoricien des particules et je le reste. Tout est parti d’une idée du physicien soviétique Gurgen Askaryan, en 1963, qui voulait faire à peu près la même chose que nous, mais autrement. Les neutrinos, on ne les voit pas, car ils n’ont pas de charge et traversent le détecteur. Mais quand l’un d’eux heurte un noyau d’oxygène ou d’hydrogène dans la glace, il se transforme en particules chargées, dont nous voyons la lumière. Askaryan pensait qu’elles produisent une impulsion électrique, donc des ondes radio, et voulait un détecteur fait de simples antennes plutôt que de capteurs de lumière. Tout le monde connaissait l’idée, mais personne ne l’a suivie : on ne croyait pas l’impulsion assez forte.
Je savais aussi que l’Union soviétique avait une base en Antarctique, où l’on avait déjà installé des antennes radio dans la glace. Je me suis intéressé au calcul de la puissance du signal. Je pensais que les Soviétiques ne pouvaient pas le faire, faute d’ordinateurs ; moi, j’avais déjà une station de travail sur mon bureau. Nous avons fini par résoudre le problème, mais un projet de télescope à neutrinos alors en construction au large d’Hawaï montrait entre-temps à quel point la tâche était ardue. Nous avons alors développé le concept de photomultiplicateurs placés dans la glace. L’avantage est immense : une fois déployé, le détecteur est totalement stable. Il est gelé à – 50 degrés, nous avons 5 000 capteurs et nous en perdons moins d’un tous les deux ans. Il fournit des données presque tout le temps, de l’ordre de 99,8 % ; on n’a rien à faire. C’est fascinant.
L’observatoire IceCube, situé au Pôle Sud.
Vous avez commencé par écrire des articles sur les quarks. Comment un théoricien se retrouve-t-il à diriger la construction d’un télescope de plusieurs centaines de millions de dollars sous la glace ?
Par accident. Par plusieurs accidents, en fait. Au début, nous n’étions que deux chercheurs confirmés aux Etats-Unis dans cette collaboration et nous savions travailler avec la National Science Foundation et écrire des demandes de financement. Tous les autres étaient jeunes, et cette expérience est aujourd’hui encore composée très majoritairement de jeunes chercheurs. Pendant la phase de recherche et développement, nous échangions les rôles. Puis la NSF m’a appelé pour dire qu’elle financerait IceCube, mais seulement si j’en étais le responsable scientifique. Je n’avais pas le choix. Je pense toujours que c’était une mauvaise idée de nommer un théoricien.
Mais cette expérience a tant de facettes que cela n’a pas d’importance. Personne n’a fait d’études ou de doctorat en astronomie des neutrinos : cette diversité de regards sur votre projet est un atout, quand il faut résoudre tous ces problèmes. Le forage a probablement été le plus grand défi, et tout le monde est devenu foreur. Pendant des années, je n’ai eu que le forage en tête. C’est ce qui est si inhabituel et si exaltant dans ce projet, parfois trop exaltant.
Des centaines de chercheurs ont construit IceCube, mais le Nobel vous revient seul. Vous avez évoqué ceux qui vous ont suivi au début avec courage : que leur dites-vous aujourd’hui ?
C’est le grand bonheur de ce Nobel : tout le monde savait que je n’avais pas fait cela seul et je peux reconnaître ces gens, pas seulement ceux qui font la science aujourd’hui. Notre premier article dans Nature n’avait que sept auteurs. Puis nous avons fini par établir la technique, et l’article suivant en avait peut-être vingt, je ne me souviens plus. Pour nous rejoindre à ce moment-là, il fallait être très aventureux et très courageux, car l’expérience pouvait tourner mal : la glace pouvait ne pas convenir comme détecteur de particules, le forage à l’eau chaude pouvait ne pas fonctionner. Et nous n’étions pas sûrs de pouvoir nous affranchir du bruit de fond produit par les rayons cosmiques dans l’atmosphère, car nous n’étions pas assez profonds : 1,4 kilomètre, alors qu’il aurait fallu quatre ou cinq. Si nous ne surmontions pas l’un de ces obstacles, l’expérience était morte.
La plupart des gens pensaient que c’était une belle idée, mais qu’elle ne marcherait jamais. Nous avons eu du mal à recruter des collaborateurs. Puis des courageux sont arrivés, d’abord de Suède, d’Uppsala et de Stockholm, ensuite d’Allemagne : le laboratoire de Zeuthen, alors en Allemagne de l’Est et aujourd’hui rattaché au Desy. Ce fut une percée, car ils connaissaient les techniques de l’expérience du lac Baïkal, qu’ils construisaient. Et nous avons fini par décoller.
Vous souvenez-vous du moment précis où vous avez compris que vous teniez de vrais neutrinos venus du cosmos et non du bruit de fond ?
Très bien, oui. Nous cherchions des neutrinos dits « garantis », dont la présence était attendue avec certitude, mais que nous n’avons d’ailleurs jamais vus. Par accident, nous avons découvert deux événements d’une énergie de l’ordre de 1 000 téraélectronvolts (TeV), soit 1 pétaélectronvolt. Au CERN, à Genève, on parle d’environ 10 TeV : c’est donc environ soixante-dix fois l’énergie des particules que l’on y accélère. C’était spectaculaire. Notre bruit de fond, ce sont les neutrinos produits dans l’atmosphère, à raison d’environ un par minute. Ils sont intéressants, mais ce n’est pas ce que nous cherchions. Chacun de ces deux événements constituait presque, à lui seul, une détection de neutrinos cosmiques.
J’avais calculé que j’avais une chance sur vingt de gagner le prix Nobel
Nous avions alors deux ans de données. En modifiant un peu notre analyse, nous avons cherché s’il y en avait d’autres, et nous en avons trouvé 26. Nous avons décidé de publier, ce qui était encore assez audacieux. Il nous a fallu des mois pour rédiger l’article, afin d’être sûrs de ne rien avoir négligé. Nous étions dans une situation étrange : personne ne pouvait vérifier ce que nous publiions. Cela change vite, Dieu merci. Mais pendant quinze ans, nous avons dû être très conservateurs, car si nous avions dû retirer un résultat, plus personne n’aurait prêté attention à nos publications.
L’une de vos premières sources identifiées serait une galaxie active, avec des neutrinos produits près d’un trou noir supermassif. Que savons-nous aujourd’hui de ces « usines à neutrinos » ?
Nous aurions dû nous douter que ce serait la première source. En 2013, nous avons obtenu notre première image du ciel avec 28 neutrinos. En neutrinos, on ne voit pas la Voie lactée : on voit le reste de l’Univers. Nous avons bien détecté des neutrinos de la Voie lactée, mais à un très bas niveau, ce qui défie la géométrie : on devrait voir sa propre galaxie en premier, mais des galaxies lointaines dominent totalement le flux que nous recevons. Nous aurions pu soupçonner dès alors que les galaxies actives comptent, car le trou noir de la nôtre est endormi depuis plus de dix millions d’années.
Nous avons alors identifié une galaxie active comme source probable de ces neutrinos. En combinant nos résultats avec des observations à d’autres longueurs d’onde, notamment dans les rayons gamma, nous avons pu la localiser avec une précision d’environ 0,04 degré et recueillir plus d’une centaine de neutrinos provenant d’elle. Nous en déduisons qu’ils sont produits dans la région proche de son trou noir supermassif, probablement dans le jet de particules qui s’en échappe.
Rappelez-vous l’image du trou noir de M87, obtenue par l’Event Horizon Telescope : M87 est une autre galaxie active, et c’est dans un environnement de ce type que semblent naître ces neutrinos. Ils commencent à jouer leur rôle, en nous parvenant de régions que la lumière ne révèle que difficilement. Mais ce n’est qu’un début : une centaine de neutrinos, c’est peu. Pour en faire une véritable astronomie, il faudra en détecter bien davantage.
Première image historique du trou noir supermassif M87*, situé au centre de la galaxie Messier 87 (à 55 millions d’années-lumière). L’anneau lumineux est formé par la matière chauffée à blanc qui orbite autour de l’horizon des événements, tandis que le centre sombre dessine l’ombre du trou noir.
Les neutrinos peuvent-ils nous aider à résoudre le mystère de la matière noire ?
C’est une excellente question. Nous avions construit un petit détecteur de recherche et développement, parce que nous ne connaissions pas les propriétés optiques de la glace : c’était un voyage dans l’inconnu. Nous pensions ce détecteur trop petit pour voir des neutrinos cosmiques : l’idée qu’il faut au moins un kilomètre cube remonte à 1969, avec un premier article.
Dans les années 1990, quand nous avons lancé le projet Amanda, la mode, en matière noire comme en physique des particules, était le « miracle des WIMPs » : une particule de la famille des bosons faibles, d’une masse de 100 GeV, qui interagit faiblement. Nous savions tout de ces particules, et le téléscope Amanda y était sensible : si elles existaient, nous les aurions détectées en un an, sans aucun doute. Ce fut l’une des premières indications que le miracle n’avait pas eu lieu.
Nous continuons à en chercher. Notre meilleure méthode : elles se piègent dans le Soleil et s’y annihilent en neutrinos. C’est entièrement calculable, sans ambiguïté : il suffit de connaître le nombre de protons du Soleil, que l’astronomie nous donne avec précision. Comme tout le monde, nous abaissons la limite sur la section efficace d’interaction avec la matière ordinaire, et pour certaines théories, nos limites sont de loin les meilleures. Est-ce zéro ? Nous ne le saurons jamais. Ces limites ne prouvent pas que les WIMPs n’existent pas ; elles réduisent simplement l’espace des modèles possibles. Cette recherche nous a en tout cas donné de la physique à faire, à l’époque où le projet était encore de la pure recherche et développement.
Le comité Nobel parle d’une « nouvelle astronomie ». Que voit-on avec les neutrinos que la lumière, les télescopes ou les ondes gravitationnelles ne montrent pas ?
Prédire ce que l’astronomie des neutrinos apportera est impossible : presque tout ce que je vous dirais sera faux dans un an ou deux. Je m’intéresse à l’histoire des sciences, et il faut être prudent. Quand Karl Jansky a découvert l’émission radio de la Voie lactée, son article n’a suscité aucune citation pendant trois ans, m’ont dit les historiens. C’est différent aujourd’hui : on construit des télescopes partout, au Canada, dans le lac Baïkal, en Méditerranée, en Chine. Tout cela va se développer très vite. Le ciel est vaste, et Dieu sait ce qu’il y a là-haut. IceCube est un instrument de découverte : nous ne sommes pas encore au télescope dont on rêve. Il faudra des télescopes plus nombreux et meilleurs, et ce qu’ils ouvriront dans les prochaines années est impossible à prévoir.
Mon seul souhait, plutôt que de prédire, est de voir une supernova dans notre galaxie. Nous n’en avons pas observé directement depuis Kepler il y a 400 ans dans notre galaxie, parce que la lumière de la plupart d’entre elles ne nous parvient pas : il y en a deux par siècle, et nous avons des indices pour d’autres. Une supernova nous apprendrait, en quelques secondes, des choses sur l’astronomie et la physique des particules que nous n’espérons pas apprendre autrement. Plutôt que de prédire, j’attends.
Quel rapport entretenez-vous avec l’IA ? La voyez-vous comme un atout pour la recherche fondamentale, une menace pour l’humanité, ou quelque chose entre les deux ?
Je n’en ai aucune idée. Je peux seulement dire que, pour nous, l’IA est très simple. Il faut se débarrasser d’un énorme bruit de fond, ce que nous faisons en appliquant des coupures à nos données avec notre cerveau. Si l’IA se charge de ces sélections, nous identifions beaucoup plus d’événements, et de meilleure qualité : elle surpasse nos méthodes manuelles. Mais c’est une utilisation contrôlée : ces réseaux de neurones très puissants remplacent les coupures et nous savons toujours ce que nous faisons. L’étape suivante, c’est de laisser l’IA travailler sur les données brutes pour préserver plus d’événements et plus d’information scientifique, au lieu de perdre des événements intéressants que nous éliminons aujourd’hui. Nous sommes sur le point de la franchir.
Pour vous, un neutrino est « aussi réel que la tasse de café devant vous ». Y a-t-il malgré tout un moment où l’immensité de ce que vous étudiez vous a donné le vertige ?
Quand j’ai passé mon doctorat à la KU Leuven, qui s’appelait encore l’Université catholique de Louvain avant la scission, j’étais l’un des derniers doctorants, je crois. L’étage au-dessus du mien était occupé par Georges Lemaître, quand j’étais étudiant de premier cycle. Il n’était pas respectable de faire de la cosmologie, ni de travailler sur la relativité générale et les trous noirs. Mon mémoire portait sur les quarks : j’étais donc très courageux. Aujourd’hui, comme vous le dites, tout cela est aussi réel que l’ordinateur et la tasse devant moi. En une génération, nous avons découvert toutes ces choses. Les progrès de la science dans ma génération, en physique des particules, en cosmologie, en astrophysique, sont stupéfiants. Ce fut un vrai privilège de vivre au bon moment.
Si vous deviez expliquer à un adolescent pourquoi la physique des particules et l’astronomie valent la peine d’être explorées, que lui diriez-vous ?
Notre expérience porte un message. A l’heure de l’IA, des puces et du calcul massif, il ne faut pas oublier de suivre ses rêves. Pour devenir scientifique, il faut être passionné. Il n’y a ni fortune ni voitures de sport à la clé : si vous n’êtes pas obsédé par ce que vous faites, vous ne réussirez pas. C’était déjà vrai, mais ça l’est encore plus aujourd’hui, car le métier a perdu de son attrait. Il en avait davantage autrefois. Mais je peux vous dire que c’est aussi exaltant que jamais.
Quelle grande question sur l’univers aimeriez-vous voir résolue de votre vivant ?
La matière noire est très haut sur la liste. L’origine des rayons cosmiques, le plus vieux problème de l’astronomie : je pense que nous avons maintenant les outils pour le résoudre, et il sera résolu. Pour le physicien des particules que je suis, c’est passionnant de comprendre les détails de ces accélérateurs cosmiques que nous commençons à identifier et d’en apprendre davantage sur les trous noirs. Mais ce que je souhaite vraiment, c’est que cette astronomie se développe et qu’on voie, comme à chaque nouvelle longueur d’onde de la lumière, des choses que l’on n’a jamais vues. Cela arrivera, sans aucun doute.
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Author : Yohan Blavignat
Publish date : 2026-10-29 16:00:00
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