Les travaux de Chiba University sur IceCube contribuent au Nobel de physique 2026 décerné à Francis Halzen

L’unique équipe japonaise d’IceCube prend part à une réussite mondiale

Francis Halzen, 82 ans, de l’Université du Wisconsin à Madison, a reçu le prix Nobel de physique 2026 pour l’observatoire de neutrinos IceCube et sa découverte de particules de haute énergie provenant de sources cosmiques lointaines. L’annonce du 6 octobre récompense également un effort scientifique auquel Chiba University, seul établissement japonais de la collaboration, contribue depuis 2002.

Dans son communiqué annonçant le prix Nobel, l’Académie royale des sciences de Suède indique que Halzen est récompensé « pour ses contributions décisives à l’observatoire de neutrinos IceCube et la découverte de neutrinos de haute énergie d’origine astrophysique ». Le prix est doté de 12 millions de couronnes suédoises.

La contribution de Chiba va de l’identification des premiers signaux de neutrinos cosmiques à la fabrication d’instruments aujourd’hui enfouis sous le pôle Sud. Ses chercheurs ont contribué à relier un neutrino à une galaxie lointaine, participé à la première détection d’une interaction rare d’antineutrino et fabriqué environ 40 % des quelque 600 détecteurs optiques installés dans la dernière extension d’IceCube.

Les professeurs de l’université Shigeru Yoshida, 60 ans, directeur de son Centre international d’astrophysique hadronique, et Aya Ishihara, 52 ans, ont salué cette distinction lors d’une conférence de presse le 6 octobre sur le campus de Nishichiba, dans la ville de Chiba. Ishihara y a participé à distance depuis Nagoya.

Le prix Nobel récompense Halzen à titre individuel. Les réalisations de l’observatoire sont toutefois le fruit d’un effort international réunissant quelque 450 scientifiques de 58 établissements répartis dans 14 pays. Le rôle de Chiba montre comment une petite équipe de recherche est devenue essentielle, tant pour interpréter les observations que pour concevoir la prochaine génération d’équipements.

D’une idée formulée en 1988 à un observatoire d’un kilomètre cube

Halzen a présenté pour la première fois, en 1988, son projet d’utiliser la glace du pôle Sud pour détecter les neutrinos. Né à Tienen, en Belgique, en 1944, il a obtenu son doctorat à la KU Leuven en 1969 avant de devenir professeur à l’Université du Wisconsin à Madison. Son projet consistait à transformer un immense volume de glace naturelle en détecteur de particules, au lieu de construire une cuve de laboratoire traditionnelle.

L’observatoire achevé exploite un kilomètre cube de glace sous la station Amundsen-Scott du pôle Sud. Son réseau initial compte 5 160 modules optiques répartis le long de 86 câbles, à raison de 60 modules par câble.

La construction a commencé en 2004. Les sources ne donnent pas toutes la même date d’achèvement : l’historique du projet de Chiba situe la fin des travaux en décembre 2010, tandis que l’annonce du prix Nobel indique qu’IceCube a été achevé en 2011. Les 86 lignes ont toutes été mises en service en 2011, ce qui distingue la fin de l’installation du début des observations avec le réseau complet.

Le coût initial de la construction a été estimé à 271 millions de dollars, financés en grande partie par la National Science Foundation (NSF) des États-Unis. Dans son communiqué sur la récompense, la NSF indique avoir financé la conception, la construction et l’exploitation d’IceCube pendant plus de deux décennies. Le programme antarctique américain a soutenu les travaux à la station isolée.

Mark Pearce, président du comité Nobel de physique, a salué la capacité de Halzen à transformer cette idée en un observatoire opérationnel.

Francis Halzen a dirigé une équipe internationale de chercheurs et d’ingénieurs qui nous a fourni un instrument exceptionnel. Sa ténacité et sa vision scientifique ont ouvert la voie à une nouvelle forme d’astronomie.

Comment la glace détecte des particules qui traversent généralement la Terre

Les neutrinos n’ont pas de charge électrique et interagissent extrêmement rarement avec la matière. La plupart traversent la Terre sans laisser de trace détectable. Ils sont donc difficiles à observer, mais constituent aussi de précieux messagers : contrairement aux trajectoires des particules cosmiques chargées, les leurs ne sont pas déviées par les champs magnétiques.

Le détecteur ne photographie pas directement un neutrino. Lorsqu’un neutrino interagit, ce qui est rare, avec un noyau atomique ou un électron, il produit des particules chargées. Celles-ci peuvent émettre une lumière Tcherenkov, faible rayonnement produit lorsqu’une particule chargée se déplace dans un matériau plus vite que la lumière dans ce même matériau.

Les capteurs optiques d’IceCube enregistrent le moment et l’intensité de cette lumière. Les chercheurs s’appuient sur ces mesures pour estimer l’énergie et la direction de la particule incidente. L’immense volume de glace compense la rareté des interactions des neutrinos.

La présentation du projet IceCube par Chiba indique que les modules d’origine se trouvent entre 1 450 et 2 450 mètres de profondeur. D’autres sources donnent des fourchettes plus larges, allant notamment de 1 400 à 2 600 mètres. La dernière extension a nécessité des forages jusqu’à 2 600 mètres : cette profondeur de construction ne doit pas être confondue avec celle où se trouvent les capteurs d’origine.

Les modules contiennent des photomultiplicateurs, des dispositifs qui convertissent de minuscules éclairs lumineux en signaux électriques mesurables. Hamamatsu Photonics, basée à Hamamatsu, au Japon, a mis au point des tubes utilisés dans les détecteurs d’IceCube, donnant ainsi un rôle à l’industrie japonaise aux côtés des chercheurs de l’université.

La détection de la lumière n’est qu’une première étape. Juan Carlos Díaz Vélez, qui travaille au Centre d’astrophysique des particules IceCube du Wisconsin et coordonne le traitement des données et les simulations, indique qu’IceCube détecte plus d’un million de muons produits par les rayons cosmiques pour chaque neutrino détecté. Les muons sont des particules chargées qui peuvent elles aussi laisser des traces lumineuses, formant un important bruit de fond au milieu duquel il faut identifier les événements liés aux neutrinos.

Selon Díaz Vélez, le traitement des observations et la production de simulations mobilisent environ 10 000 cœurs de processeur et 1 000 processeurs graphiques sur des réseaux informatiques distribués. La NSF souligne également le rôle de ses infrastructures de calcul dans l’interprétation des mesures d’IceCube.

Les premiers signaux de Chiba et la date de la découverte

Chiba University indique que son équipe a rejoint la collaboration IceCube lors de sa création en 2002. Yoshida connaissait Halzen depuis les années 1990, mais rejoindre le projet comportait de grandes incertitudes. Dans sa réaction à la récompense, il se souvient du scepticisme général quant à la possibilité d’utiliser les neutrinos pour observer concrètement l’Univers de haute énergie.

Ishihara a rejoint l’équipe du Wisconsin en janvier 2005, après avoir obtenu son doctorat en 2004, puis a transféré son activité de recherche à Chiba en 2006. Elle décrit une équipe disposant de moyens humains et financiers limités, qui a élaboré sa propre stratégie d’analyse afin d’apporter une contribution distincte à une collaboration bien plus vaste.

Cette stratégie a permis d’identifier deux événements d’une énergie exceptionnelle. L’historique détaillé du projet de Chiba les date d’août 2011 et de janvier 2012, avec des énergies mesurées de 1,04 ± 0,16 et 1,14 ± 0,17 pétaélectronvolt. Un pétaélectronvolt, ou PeV, équivaut à un billiard d’électronvolts, unité de mesure de l’énergie des particules.

L’université a présenté les premiers résultats lors d’une conférence internationale en juin 2012. Un article a paru dans Physical Review Letters en juillet 2013, puis une analyse plus large a été publiée dans Science en décembre 2013. Cette chronologie explique pourquoi Chiba parle d’une découverte en 2012, tandis que la NSF et l’annonce du Nobel d’IceCube situent les résultats marquants en 2013.

Les sources divergent sur la date des deux premiers événements : l’une situe leur détection en 2013 et 2014, tandis que le récit détaillé de Chiba les date de 2011 et 2012. L’historique de l’université donne également des récapitulatifs différents de leurs énergies, mais les fiches consacrées à chaque événement indiquent les valeurs et incertitudes citées ci-dessus.

Une analyse plus poussée a ajouté 26 événements aux deux premiers. Selon le récit de Chiba, environ 11 événements de bruit de fond étaient attendus sur les 28, et leurs énergies, leurs formes et leurs directions d’arrivée étayaient une origine cosmique avec un niveau de confiance statistique supérieur à quatre écarts-types.

Chiba compare cette nouvelle gamme d’énergies à celle des neutrinos observés par Kamiokande en 1987 et évoque une hausse d’environ 100 millions de fois. La NSF indique plus largement que les neutrinos détectés avaient une énergie supérieure à un million de fois celle des neutrinos observés auparavant. Ces comparaisons s’appuient sur des références différentes et ne doivent pas être considérées comme des mesures identiques.

Remonter d’un neutrino à une galaxie lointaine

La découverte de neutrinos cosmiques a établi que des accélérateurs de particules naturels en produisaient. Pour identifier une source, il a fallu franchir une étape supplémentaire : combiner la direction d’arrivée estimée d’un neutrino avec les observations d’autres instruments.

Le 22 septembre 2017, heure japonaise, IceCube a détecté l’événement connu sous le nom d’IC170922A. Des satellites gamma et des télescopes optiques ont suivi l’alerte, reliant l’événement à TXS 0506+056, un blazar associé à un trou noir supermassif. Les résultats ont été annoncés et publiés dans Science en 2018.

Un blazar est un noyau galactique actif dont le puissant jet est dirigé vers la Terre. Le récit initial présente le résultat de 2018 comme un indice que le neutrino pourrait provenir du blazar. Chiba le décrit comme la première identification d’une source de neutrinos, tandis que la NSF parle, à propos du résultat de 2018, d’une preuve définitive que des neutrinos proviennent d’un trou noir supermassif situé dans une autre galaxie.

Ce lien repose sur ce que les chercheurs appellent l’astronomie multimessager : l’étude d’une même activité cosmique à travers différents signaux, en l’occurrence les neutrinos et plusieurs formes de rayonnement électromagnétique. Le neutrino a fourni des informations inaccessibles à la seule lumière, tandis que les observations télescopiques ont aidé à identifier l’objet situé dans sa direction.

Yasushi Fukazawa, professeur à l’Université de Hiroshima et spécialiste de l’observation de l’Univers de haute énergie, a salué la contribution de Chiba au développement et à l’assemblage des détecteurs, ainsi qu’à la mise au point du système qui transmet rapidement les informations sur les neutrinos aux observatoires du monde entier. Ce système d’alerte a rendu possibles des observations coordonnées.

Depuis, IceCube a fait état d’indices d’émission de neutrinos provenant d’une autre galaxie, NGC 1068, également appelée Messier 77. En 2023, l’observatoire a annoncé des observations de neutrinos de la Voie lactée, produisant la première image de notre galaxie fondée sur des neutrinos, selon la NSF. L’expérience évolue ainsi de la détection de particules isolées vers la cartographie de leurs sources.

Une interaction rare d’antineutrino met la physique des particules à l’épreuve

Chiba a également contribué à un résultat publié dans Nature en 2021 : la première détection de la résonance de Glashow par l’intermédiaire d’un antineutrino électronique. Un antineutrino est l’équivalent en antimatière d’un neutrino.

La résonance de Glashow est une interaction prévue par la théorie, dans laquelle un antineutrino électronique entre en collision avec un électron et produit un boson W, une particule intervenant dans l’interaction faible. Son observation a mis à l’épreuve une prédiction du Modèle standard, la théorie qui décrit les particules élémentaires connues et leurs interactions.

Cette réalisation confère à IceCube un double objectif. L’observatoire peut étudier les environnements cosmiques qui produisent des particules énergétiques et utiliser ces particules pour tester les fondements de la physique à des énergies difficiles à atteindre avec des accélérateurs construits par l’être humain.

Takaaki Kajita, professeur à l’Université de Tokyo et colauréat du prix Nobel de physique 2015 pour la découverte des oscillations des neutrinos, a salué la récompense de Halzen. Il a présenté IceCube comme une étape attendue de longue date vers la compréhension de l’origine des rayons cosmiques et des mécanismes de leur accélération.

Plus de 600 nouveaux détecteurs installés en janvier

La récompense intervient après une importante extension de la contribution technique de Chiba. Selon le communiqué de l’université sur la fin des travaux d’extension, publié le 13 février, l’installation s’est achevée le 21 janvier 2026.

Une équipe spéciale d’environ 40 chercheurs et ingénieurs a travaillé pendant quelque deux mois et demi, à partir de la fin novembre 2025. Elle a foré six puits profonds et installé plus de 600 nouveaux modules optiques au centre du détecteur existant.

Environ 40 % des nouveaux modules sont des détecteurs D-Egg, conçus et fabriqués par le Centre international d’astrophysique hadronique de Chiba sur plus d’une décennie. Des équipes allemandes et américaines ont fourni un autre modèle de détecteur, le mDOM.

Chaque D-Egg contient deux capteurs lumineux sensibles orientés dans des directions opposées, à l’intérieur d’une enveloppe de verre. La détection de la lumière venant d’en haut et d’en bas permet d’en mesurer la direction et l’intensité. L’enveloppe peut également être installée dans des trous de forage plus étroits. Ishihara, qui a dirigé la fabrication, a participé à l’équipe chargée de l’installation en Antarctique.

Le calendrier des travaux était serré. Le forage à l’eau chaude a nécessité environ 60 heures pour creuser et façonner un puits jusqu’à 2 600 mètres de profondeur. Les équipes ont ensuite dû descendre environ 110 détecteurs reliés entre eux en moins de 30 heures, avant que le puits ne se referme en gelant.

L’université indique aussi que cinq détecteurs de démonstration fabriqués à Chiba ont été installés dans le cadre des travaux préparatoires à IceCube-Gen2. Des entreprises japonaises, des étudiants de troisième cycle et de jeunes chercheurs ont pris part au développement et à la production des détecteurs, étendant la contribution japonaise au-delà de l’analyse des données.

Une cible plus vaste pour les neutrinos de plus basse énergie

L’extension rapproche les capteurs afin de détecter la faible lumière émise par des neutrinos de plus basse énergie. Elle vise la gamme du gigaélectronvolt, ou GeV, tout en améliorant les mesures de la propagation de la lumière dans la glace environnante. Une meilleure connaissance de la glace devrait permettre de reconstituer plus précisément la direction d’arrivée des neutrinos.

Chiba estime le volume de détection effectif de l’extension à l’équivalent d’environ deux millions de tonnes d’eau, contre quelque 50 000 tonnes pour Super-Kamiokande. Cela correspond à un rapport d’environ 40 à 1. Le volume ne détermine pas à lui seul la sensibilité ou la précision, car les instruments utilisent des dispositifs et des méthodes d’observation différents.

Le réseau plus dense étend à une autre gamme d’énergie des particules un observatoire connu pour l’astronomie de très haute énergie. Chiba cite les neutrinos libérés lors de l’effondrement gravitationnel d’étoiles massives et de la formation de trous noirs parmi les pistes de recherche, et non parmi les observations déjà réalisées.

Le calendrier des observations a été précisé. Dans son communiqué de février, Chiba prévoyait un début des observations vers l’été 2026, après le regel de la glace, les vérifications des communications, l’étalonnage et le positionnement précis des détecteurs.

Dans son annonce du prix Nobel d’octobre, IceCube indique plutôt que les premières données scientifiques de l’extension sont attendues plus tard en 2026. Le communiqué ne confirme pas que les observations scientifiques complètes ont commencé durant l’été.

Le projet IceCube-Gen2 prévoit un réseau optique dont le volume serait huit fois supérieur à celui de l’observatoire actuel, ainsi que l’ajout d’une détection radio pour les neutrinos d’énergie encore plus élevée. Il reste à l’état de projet : les annonces ne fixent ni date de début ni date d’achèvement des travaux.

Les étapes qui ont mené à la récompense

L’histoire d’IceCube distingue plusieurs étapes parfois condensées en une seule date de découverte : la proposition de l’instrument, sa construction, l’enregistrement des événements, la présentation des analyses et la publication des résultats.

• 1988 : Halzen présente pour la première fois son projet de détection des neutrinos au pôle Sud.
• 2002 : La collaboration IceCube est créée ; Chiba la rejoint comme seul établissement japonais.
• 2004-2011 : La construction commence et l’observatoire complet entre en service.
• 2011-2013 : Les premiers événements majeurs sont enregistrés, présentés en juin 2012 et décrits dans des articles scientifiques en 2013.
• 2017-2018 : L’événement IC170922A mène à l’association avec le blazar TXS 0506+056 et à la publication des résultats.
• 2021 : La première détection de la résonance de Glashow est publiée.
• 2023 : IceCube annonce des observations de neutrinos de la Voie lactée.
• 21 janvier 2026 : L’installation de l’extension d’IceCube est achevée.
• 6 octobre 2026 : Halzen est annoncé comme lauréat du prix Nobel de physique.

Selon Yoshida, la collaboration est passée de cinq pays à sa création à 14 aujourd’hui. En 2020, la page du projet de Chiba recensait environ 300 chercheurs dans 53 établissements de 12 pays, contre quelque 450 chercheurs dans 58 établissements aujourd’hui.

Halzen, responsable scientifique principal d’IceCube, a placé cet effort collectif au cœur de sa réaction à la récompense.

C’est un grand soulagement pour moi de pouvoir enfin apporter à cette formidable collaboration la reconnaissance qu’elle mérite.

Pour Chiba, la prochaine étape concrète est la publication attendue des premières données scientifiques de l’extension, plus tard en 2026. Ses chercheurs préparent également le projet de plus grand observatoire, tout en poursuivant la recherche des accélérateurs cosmiques à l’origine des particules détectées par IceCube.

À retenir

• Francis Halzen reçoit le prix Nobel de physique 2026 pour IceCube et ses découvertes sur les neutrinos cosmiques.
• Chiba University participe au projet depuis 2002 et reste le seul établissement japonais de la collaboration.
• Chiba a contribué à l’identification des premiers signaux cosmiques, d’une source de type blazar et du premier événement de résonance de Glashow.
• L’observatoire d’origine utilise 5 160 modules optiques répartis dans un kilomètre cube de glace antarctique.
• Environ 40 % des plus de 600 nouveaux détecteurs installés dans le cadre de l’extension ont été fabriqués par Chiba.
• Le calendrier actuel prévoit les premières données scientifiques de l’extension plus tard en 2026 ; IceCube-Gen2 reste à l’état de projet.