Le projet GRAND capte ses premiers rayons cosmiques dans le désert de Gobi

À des millions d’années-lumière, des phénomènes d’une violence inouïe agitent l’Univers : explosions d’étoiles, collisions de trous noirs, jets de matière émis par les noyaux actifs de galaxies. Ces événements accélèrent des particules jusqu’à des énergies vertigineuses, un million de fois supérieures à celles produites par le LHC, le plus grand accélérateur de particules construit par l’homme. Ces particules, appelées rayons cosmiques d’ultra-haute énergie, frappent parfois notre atmosphère. Mais leur mystère demeure : où et comment l’univers les produit-il ?

« L’univers est un accélérateur de particules bien plus efficace que tout ce que nous savons construire, explique Olivier Martineau, maître de conférences au LPNHE. Mais nous ne savons pas encore où ces particules sont accélérées ni quels objets les génèrent. » Le problème vient de la nature même de ces particules. Ces noyaux atomiques sont chargés : ils sont déviés par les champs magnétiques qu’ils rencontrent et perdent toute indication sur leur direction d’origine. Pour retrouver la trace de leurs sources, les chercheurs misent sur d’autres messagers : les neutrinos.

Les neutrinos, indices directs du cosmos

Contrairement aux rayons cosmiques, les neutrinos n’ont pas de charge électrique ; ils traversent la matière presque sans interagir et conservent la direction de leur source. « Parce qu’ils ne sont pas déviés par les champs magnétiques, les neutrinos pointent droit vers leur origine », explique le physicien. Les détecter permettrait de remonter jusqu’aux sources de ces phénomènes extrêmes – un trou noir géant, une supernova, ou un sursaut gamma. « Il suffirait d’en observer un seul provenant d’une source identifiée pour être sûr que c’est un site d’accélération de particules d’énergie extrême », poursuit-il.

Mais ces particules sont rares. À l’échelle d’un siècle, il tombe moins d’un rayon cosmique de très haute énergie par kilomètre carré ; pour un neutrino, les probabilités sont encore plus faibles. D’où la nécessité de déployer des instruments immenses, capables de couvrir des zones de plusieurs milliers de kilomètres carrés.

Le pari de la radio-détection

À ces échelles, les détecteurs classiques deviennent irréalisables. Les observatoires, comme l’Observatoire Pierre Auger en Argentine, utilisent des cuves d’eau ou des scintillateurs solides qui captent la lumière Tcherenkov, cette lueur bleutée qu’émet une particule traversant un milieu plus vite que la lumière ne s’y propage. Ces techniques sont précises, mais coûteuses : pour espérer capter des neutrinos, il faudrait recouvrir l’équivalent de la taille de l’Angleterre, 200 000 km².

C’est ici qu’intervient le projet GRAND pour Giant Radio Array for Neutrino Detection. Son idée : remplacer ces détecteurs massifs par un réseau d’antennes radio autonomes, beaucoup moins chères et capables de repérer le signal éphémère produit dans l’atmosphère lorsqu’un rayon cosmique déclenche une gerbe de particules secondaires.

Mais l’approche a un revers : la pollution radio. « L’atmosphère est transparente aux ondes, ce qui est formidable pour la communication, mais cela veut dire qu’on reçoit aussi toutes les interférences : avions, lignes électriques, transmissions. Il faut être capable de distinguer nos signaux cosmiques de ce vacarme, » explique Olivier Martineau.

Au début des années 2010, Olivier Martineau expérimente la détection radio en Chine et obtient une première preuve de concept. De retour en France, il rencontre Kumiko Kotera, astrophysicienne, aujourd’hui directrice de l’Institut d’astrophysique de Paris (IAP). « Je voulais sortir du travail solitaire du théoricien et rejoindre une aventure collective, » raconte la théoricienne qui calcule depuis des années les flux de neutrinos produits par différents types de sources, sans qu’aucun instrument ne permette encore de les observer.

De cette rencontre naît GRAND. L’objectif : bâtir un réseau d’antennes réparties sur des milliers de kilomètres carrés pour traquer les signaux radio laissés par les particules cosmiques. Pour les premiers tests, les chercheurs choisissent le désert de Gobi, où les antennes peuvent opérer loin de toute interférence humaine. « Pour capter nos signaux, il faut être à l’écart de tout bruit électromagnétique », rappelle Kumiko Kotera.

Trois ans après le déploiement des premières antennes, la collaboration obtient enfin la preuve tant attendue : les antennes de GRAND ont détecté leurs premiers rayons cosmiques.

La première détection

Entre janvier et mars 2025, 65 antennes disposées dans le désert enregistrent plus de 500 000 événements transitoires. L’équipe identifie 41 signaux physiques, répartis entre 10¹⁷ et 5×10¹⁸ électrons-volts, exactement la gamme d’énergie visée par le prototype GRANDProto300.

En parallèle, le réseau de 10 antennes GRAND déployées sur le site de l’Observatoire Pierre Auger, en Argentine, a observé un rayon cosmique détecté par le réseau de cuves Cherenkov, l’un des plus grands détecteurs de rayons cosmiques au monde. Pour les chercheurs, cette coïncidence prouve que la détection radio capture bien le même phénomène que les méthodes optiques traditionnelles. Pour Olivier Martineau, c’est une étape cruciale : « Nous avons montré que la détection autonome fonctionne. C’est un résultat technique majeur. »

Kumiko Kotera ajoute : « Pendant dix ans, on nous a dit que ça ne marcherait pas. Aujourd’hui, nous avons la preuve du contraire. »
La prochaine étape sera d’évaluer l’efficacité de la détection : combien de particules enregistrées par rapport à celles qui traversent réellement le dispositif. « Nous avons bon espoir d’y parvenir dans l’année », ajoute Olivier Martineau. Les simulations prévoient qu’une centaine de rayons cosmiques pourraient être détectés chaque jour lorsque le réseau fonctionnera à pleine capacité.

Si la réussite technique réjouit les chercheurs, elle ne résume pas à elle seule l’esprit du projet. Tous deux insistent sur la dimension humaine de cette aventure scientifique. « Nous sommes désormais près de 130 chercheurs et ingénieurs à travailler ensemble, de la Chine à la France, des États-Unis au Brésil », dit Olivier Martineau. « Il y a une vraie complémentarité entre nos expertises. Chacun apporte sa brique, qu’il soit théoricien, expérimentateur ou ingénieur. Cette diversité est notre force », souligne Kumiko Kotera. Cette collaboration internationale se nourrit d’un enthousiasme partagé. « Il y a des différences culturelles, des difficultés à surmonter, mais aussi une vraie énergie collective », confie-t-elle.

L’équipe forme aussi de nombreux jeunes chercheurs. « Nous avons peu de permanents, mais beaucoup de doctorants qui participent à la conception, à l’analyse et à la simulation des données, explique Olivier Martineau. Ils apprennent vite et comprennent parfois mieux que nous certains aspects techniques. C’est très stimulant. »

Vers la détection des neutrinos

Le prototype du désert de Gobi n’est qu’un début. Le projet GRAND vise désormais la détection des neutrinos de très haute énergie, ces messagers qui permettraient de remonter jusqu’aux phénomènes les plus violents de l’univers. 

Pour y parvenir, l’équipe prépare déjà une nouvelle génération de détecteurs en partenariat avec une équipe américaine. GRAND-Beacon, une version hybride combinant antennes autonomes et stations d’antennes phasées, capables d’amplifier le signal utile tout en réduisant le bruit de fond, « pourrait être vingt fois plus sensible », estime Kumiko Kotera.

Ce projet pourrait s’étendre sur plusieurs sites, notamment en Argentine, afin d’observer le ciel dans son ensemble. « Les événements que nous cherchons peuvent survenir à tout moment, explique la chercheuse. Pour les attraper, il faut être prêt, partout sur Terre. »

Une reconnaissance et une promesse

Dix ans après les premières discussions, le regard de la communauté scientifique a changé. « Nous n’étions pas pris au sérieux au début », admet Olivier Martineau. « Aujourd’hui, notre collaboration est reconnue, nos travaux sont cités, et nos étudiants sont invités dans les congrès internationaux. »

Pour Kumiko Kotera, cette réussite est aussi celle d’un pari scientifique et humain. « Sorbonne Université, à travers l’IAP et le LPNHE, nous a soutenus très tôt, à une époque où notre idée paraissait folle. C’est grâce à cette confiance que nous avons pu lancer une aventure aussi ambitieuse. »