Depuis 1996, une équipe internationale de physiciens surveille jour et nuit une cuve cylindrique remplie de 50 000 tonnes d’eau ultra-pure, enfouie à un kilomètre sous une montagne japonaise. Leur objectif : surprendre un proton en train de mourir. Trois décennies plus tard, ils n’en ont toujours pas vu un seul se désintégrer, et ce silence expérimental a suffi à ruiner l’un des modèles les plus séduisants jamais proposés pour unifier les forces de la nature.
À retenir
- Une installation souterraine chasse depuis 30 ans un événement qui refuse obstinément de se produire
- Le silence de la cuve a détruit une théorie majeure de la grande unification de la physique
- Chaque absence de signal rapproche les scientifiques de la vérité sur les lois fondamentales
Une piscine géante creusée dans une ancienne mine de zinc
Le détecteur s’appelle Super-Kamiokande, ou « Super-K » pour les intimes. Il est installé dans l’ancienne mine de Kamioka, à Hida, dans la préfecture de Gifu. Il s’agit d’une immense cuve en acier inoxydable de 39 mètres de diamètre et 41 mètres de hauteur, remplie avec plus de 50 000 tonnes d’eau ultra pure, située à 1000 mètres sous terre. Autour de cette masse liquide, environ 13 000 tubes photomultiplicateurs tapissent les parois pour capter le moindre éclair de lumière. La profondeur n’est pas un détail architectural : l’emplacement dans une mine, sous une montagne, fournit une bonne protection contre le bruit de fond des rayons cosmiques, qui sont arrêtés par cette grande quantité de matière.
L’idée derrière cette installation pharaonique tient en une phrase simple : plus on rassemble d’atomes, plus on a de chances d’assister, une fois de temps en temps, à un événement rarissime. Et l’événement recherché ici n’a rien d’anodin : il s’agit de la désintégration du proton lui-même, cette particule qui compose, avec le neutron, le cœur de chaque atome de l’univers connu.
Le proton, cette particule censée être éternelle
Dans le Modèle standard de la physique des particules, le proton est parfaitement stable. Il ne se désintègre jamais, un point c’est tout. Mais dans les années 1970, des théoriciens ont proposé d’aller plus loin en imaginant des théories de grande unification (GUT), des cadres mathématiques capables de fusionner en une seule force les interactions forte, faible et électromagnétique. Une théorie de grande unification est une extension du Modèle standard qui unifie leptons, baryons et bosons de jauge, et conduit généralement à la désintégration du proton par des interactions où le nombre baryonique n’est pas conservé.
La version la plus simple de ces théories, baptisée SU(5) minimale, prédisait un proton qui finirait par se désintégrer en un positron et un pion neutre, avec une durée de vie théorique relativement courte à l’échelle cosmique. C’est précisément cette signature que traque Super-Kamiokande depuis son démarrage. Le problème pour les partisans de cette théorie ? Rien. Jamais. Depuis 1996, Super-Kamiokande n’a jamais trouvé le moindre signal significatif de désintégration de nucléon.
Ce silence n’est pas un échec, c’est une arme redoutable. Chaque année sans détection permet aux physiciens de repousser la limite inférieure de la durée de vie du proton, et donc d’exclure un peu plus de modèles théoriques. Sur la base des recherches expérimentales sur p → e+π0, le modèle minimal SU(5) GUT le plus simple a déjà été rejeté. L’une des théories les plus élégantes pour unifier la physique moderne a été mise KO par une cuve d’eau au fond d’une mine japonaise.
Des limites de plus en plus vertigineuses
Les chiffres donnent le tournis. En 2024, la collaboration a publié une nouvelle analyse portant sur 6 050 jours de données cumulées, soit une exposition de 0,373 mégatonne-année. Elle fixe des limites inférieures sur la durée de vie partielle du proton de 1,4×10^34 années pour le canal p → e+η et 7,3×10^33 années pour p → μ+η, des limites environ 1,5 fois plus longues que l’étude précédente et les plus strictes à ce jour. Pour donner une idée de ce que représente un tel nombre : l’univers n’a que 13,8 milliards d’années, soit environ 1,38×10^10 ans. La limite fixée par Super-K dépasse donc l’âge de l’univers d’un facteur qui s’écrit avec 24 zéros.
D’autres canaux de désintégration ont subi le même sort. Des limites inférieures de 7,2×10^33 années pour p → e+π0π0 et 4,5×10^33 années pour p → μ+π0π0 ont été obtenues, environ 50 fois supérieures aux résultats de l’expérience précédente IMB-3, et représentent les limites les plus strictes existant pour ces modes. Chaque publication ressemble à un même refrain scientifique : rien n’a été vu, et c’est justement ce qui compte. Les théoriciens des GUT doivent sans cesse repousser leurs prédictions vers des échelles d’énergie toujours plus extrêmes pour rester compatibles avec l’absence obstinée de signal.
Pourquoi continuer à chercher un fantôme
On pourrait se demander à quoi bon s’acharner sur une particule qui refuse obstinément de coopérer. C’est oublier que la désintégration du proton reste l’une des rares fenêtres expérimentales directes sur la physique aux échelles d’énergie extrêmes, là où les accélérateurs de particules ne pourront jamais aller. Les théories de grande unification, motivées notamment par la hiérarchie des masses de neutrinos, restent le seul moyen connu d’observer directement le phénomène de grande unification via une mesure de désintégration de nucléon. Autant dire que chaque absence de signal a une valeur scientifique presque aussi grande qu’une découverte.
La suite de l’histoire s’écrit déjà à quelques kilomètres de là, sur le même site de Kamioka : le successeur de Super-K, baptisé Hyper-Kamiokande, promet une cuve encore plus vaste et une sensibilité décuplée pour traquer ce fantôme subatomique. En attendant, le message reste le même depuis trente ans : dans cette mine japonaise, l’eau garde jalousement son secret, et avec lui, la certitude qu’une partie des lois fondamentales de la matière reste encore à écrire.
Sources : in2p3.cnrs.fr | 45secondes.fr