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Observatoire JUNO : Dévoiler les Secrets de Masse des Neutrinos
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Apercevoir la Particule la Plus Insaisissable
La physique fondamentale progresse grâce au dialogue entre théorie, expérience et observation.
Parmi ses grandes questions figurent la nature de la gravitation, l’origine des masses et les lois qui régissent l’Univers. Les neutrinos sont particulièrement utiles pour tester ces lois, mais ils ne constituent pas à eux seuls la réponse à toutes ces questions.
Le mégaprojet chinois JUNO, pour Jiangmen Underground Neutrino Observatory, doit améliorer notre compréhension des neutrinos et notamment de l’ordre de leurs masses.
Cette installation de grande taille est le fruit de plusieurs années de travaux et d’une vaste collaboration internationale.
Ses résultats compléteront ceux du Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), une expérience américaine qui étudiera un faisceau de neutrinos sur environ 1 300 km entre Fermilab et le Dakota du Sud.
Source: DUNE
Que sont les neutrinos ?
Les neutrinos sont des particules électriquement neutres dont la masse est extrêmement faible. Les premières formulations du Modèle standard les supposaient sans masse, mais les oscillations observées montrent qu’au moins deux états de masse ne sont pas nuls.
Nous ne savons pas encore pourquoi les neutrinos ont une masse ni quel mécanisme la produit. Il pourrait différer de celui qui donne leur masse aux autres fermions.
Les neutrinos sont parfois qualifiés de particules « fantômes » parce qu’ils interagissent très rarement avec la matière. Dans le Modèle standard, ils participent à l’interaction faible et, comme toute énergie, à la gravitation.
L’interaction faible agit à très courte portée et la gravitation est négligeable à l’échelle d’un neutrino. Ceux-ci traversent donc généralement la matière sans être arrêtés et se déplacent à une vitesse très proche de celle de la lumière.
Les neutrinos sont des particules élémentaires connues sous trois saveurs : électronique, muonique et tauique. Lors de leur propagation, ils peuvent changer de saveur par un phénomène appelé oscillation.
Les oscillations dépendent du mélange entre saveurs et états de masse ainsi que des différences de masses au carré. Leur étude renseigne sur la physique des particules, sans mesurer directement la masse absolue de chaque neutrino.
Une quatrième catégorie hypothétique pourrait également exister : les neutrinos stériles. Ils ne participeraient pas à l’interaction faible ordinaire, ce qui les rendrait encore plus difficiles à détecter. Leur existence n’est pas établie.
Les neutrinos sont produits par plusieurs processus nucléaires : fusion dans les étoiles, désintégrations radioactives dans la Terre, supernovæ, rayons cosmiques et réacteurs artificiels. Les antineutrinos de réacteurs sont essentiels à la conception de JUNO.
Les neutrinos comptent parmi les particules massives les plus abondantes de l’Univers. Des dizaines de milliers de milliards de neutrinos solaires traversent chaque centimètre carré de la Terre chaque seconde, sans effet perceptible sur le corps humain.
(Pour en savoir plus, consultez le site « All Things Neutrino » créé par Fermilab.)
Objectif de JUNO : déterminer l’ordre des masses
JUNO est conçu en priorité pour déterminer l’ordre des trois états de masse des neutrinos, parfois appelé « hiérarchie des masses ».
Source: Berkeley Lab
Les expériences d’oscillation mesurent surtout des différences de masses au carré, et non les masses absolues. Les données autorisent encore deux ordres : l’ordre normal, où le troisième état est le plus lourd, et l’ordre inversé, où il est le plus léger.
« Nous espérons comprendre comment les leptons — les électrons et leurs particules apparentées — sont apparus dans les instants qui ont suivi le Big Bang, un processus susceptible d’éclairer l’excès de matière par rapport à l’antimatière dans l’Univers.
Au moment de cette déclaration antérieure à Daya Bay, répondre à certaines de ces questions nécessitait de déterminer si l’angle de mélange θ13 était différent de zéro. Cette condition a depuis été confirmée expérimentalement.
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| Type d’ordre | Ordre des états de masse | Ce que l’on sait |
|---|---|---|
| Ordre normal | m1 < m2 < m3 | Compatible avec les données actuelles et généralement favorisé, sans décision définitive |
| Ordre inversé | m3 < m1 < m2 | Toujours compatible avec une partie des données ; sa confirmation ou son exclusion affinera les modèles |
Conception de JUNO
Dans la continuité de l’expérience Daya Bay
JUNO s’appuie sur l’expérience acquise avec le détecteur de neutrinos de réacteur de Daya Bay, mené avec une importante collaboration internationale comprenant notamment des laboratoires chinois et américains.
Source: Wikipedia
Après la découverte des oscillations des neutrinos atmosphériques et solaires à la fin des années 1990 et au début des années 2000, Daya Bay a mesuré avec précision en 2012 un mode d’oscillation lié à l’angle θ13.
Cette mesure a complété le tableau expérimental des trois angles de mélange et a rendu possibles des expériences de nouvelle génération visant notamment l’ordre des masses. Elle n’a pas, à elle seule, achevé toute la théorie des oscillations.
Choisir le bon emplacement
Le détecteur de Daya Bay avait été conçu pour mesurer les antineutrinos émis par les centrales nucléaires de Daya Bay et de Ling Ao.
Source: ResearchGate
JUNO devait initialement être implanté ailleurs dans la région. Les plans ont été adaptés afin de limiter les différences de distance entre le détecteur et les cœurs des centrales, qui brouilleraient le motif d’oscillation recherché.
Le site retenu se trouve à environ 53 km des centrales de Yangjiang et de Taishan, une distance proche du premier maximum d’oscillation utile à la mesure.
Source: ResearchGate
La distance aux réacteurs est déterminante parce que la probabilité qu’un antineutrino conserve sa saveur varie avec sa distance de propagation et son énergie.
Les effets de matière dus aux électrons de la Terre existent, mais ils restent faibles pour les antineutrinos de réacteur et les énergies de JUNO. Le signal principal provient de l’interférence entre les oscillations associées aux différentes différences de masses au carré.
Le trajet d’environ 53 km, bien plus long que les quelque 2 km de Daya Bay, permet de résoudre de fines structures du spectre énergétique nécessaires pour distinguer les deux ordres de masse.
Cette distance réduit fortement le flux reçu ; il faut donc un détecteur beaucoup plus grand, une excellente résolution énergétique et un contrôle rigoureux des bruits de fond.
L’installation est enfouie sous environ 700 mètres de roche afin de diminuer le nombre de muons cosmiques et les bruits de fond qu’ils produisent.
Source: Global Times
Cette couverture rocheuse atténue très fortement les rayons cosmiques, mais ne les élimine pas. Le détecteur à eau et les analyses servent aussi à identifier les événements résiduels.
Proposé en 2008, approuvé par l’Académie chinoise des sciences et la province du Guangdong en 2013, JUNO a commencé ses travaux souterrains en 2015.
L’installation du détecteur a débuté en décembre 2021 et s’est achevée en décembre 2024.
« JUNO dispose d’une conception expérimentale originale qui lui permet d’aborder plusieurs objectifs de physique.
En tant que projet international piloté par la Chine, il renforce aussi les capacités scientifiques du pays dans ce domaine. »
Une immense sphère de scintillateur
La structure centrale de JUNO est une sphère acrylique immergée dans un vaste bassin d’eau. Les promoteurs la présentent comme l’un des détecteurs de neutrinos liquides les plus grands et les plus précis construits à ce jour.
Le détecteur utilise un liquide scintillant. Lorsqu’un antineutrino interagit avec un proton par désintégration bêta inverse, les particules produites déposent de l’énergie et génèrent des éclairs lumineux caractéristiques.
Source: The European Physics Journal
Cette lumière est captée par des photomultiplicateurs (PMT) de 20 pouces et de 3 pouces. L’électronique, le câblage, la compensation du champ magnétique et les panneaux optiques complètent le système.
La cible centrale contient environ 20 000 tonnes de scintillateur liquide au milieu d’un bassin d’eau d’environ 44 mètres de profondeur.
Source: Global Times
Une charpente en acier inoxydable de 41,1 mètres de diamètre soutient la sphère acrylique de 35,4 mètres, environ 20 000 PMT de 20 pouces, 25 600 PMT de 3 pouces, l’électronique frontale, les câbles, les bobines de compensation magnétique et les panneaux optiques.
Les PMT fonctionnent simultanément pour recueillir la lumière de scintillation et la convertir en signaux électriques. L’énergie, la position et le temps reconstruits sont ensuite utilisés pour sélectionner les interactions candidates.
Source: ResearchGate
Des volumes considérables
À partir de décembre 2024, le bassin entourant le système a été rempli d’eau ultrapure à un débit annoncé d’environ 100 tonnes par heure.
En 45 jours, l’équipe a ajouté environ 60 000 tonnes d’eau ultrapure. Elle a maintenu l’écart de niveau entre l’intérieur et l’extérieur de la sphère à quelques centimètres et contrôlé le débit afin de protéger la structure.
Source: IIHE
Cette précision et la stabilité à long terme sont nécessaires pour comparer des spectres recueillis sur plusieurs années. JUNO enregistrera toutefois de très nombreux événements ; il ne s’agit pas d’attendre plusieurs années entre deux neutrinos.
La collaboration prévoit une exploitation sur plusieurs décennies, sous réserve des performances, du financement et de la maintenance de l’installation.
« Le projet a exigé de nouvelles idées et technologies, mais aussi des années de planification, d’essais et de persévérance. Respecter les exigences de pureté, de stabilité et de sécurité a mobilisé des centaines d’ingénieurs et de techniciens. »
L’eau aide à protéger le détecteur de la radioactivité de la roche et sert de veto contre les muons cosmiques qui traversent malgré la montagne et peuvent imiter certaines signatures de neutrinos.
« L’injection de liquide devait se dérouler en deux étapes. Pendant les deux premiers mois, de l’eau ultrapure remplirait les espaces à l’intérieur et à l’extérieur de la sphère acrylique du détecteur central.
Au cours des six mois suivants, l’eau ultrapure située dans la sphère serait remplacée par le scintillateur liquide. »
JUNO a annoncé avoir achevé le remplissage de sa cible de 20 000 tonnes de scintillateur liquide et commencé la prise de données le 26 août 2025.
Une collaboration internationale
JUNO réunit plus de 700 membres issus de 17 pays et régions. La collaboration comprend notamment des institutions chinoises, européennes, russes et américaines ; sa composition peut évoluer au fil du projet.
Les données sont traitées par plusieurs centres internationaux, dont l’Institut chinois de physique des hautes énergies, le CNAF de l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare en Italie, le Joint Institute for Nuclear Research en Russie et le Centre de Calcul de l’IN2P3 en France.
Premières données
La collaboration a signalé un premier événement candidat de neutrino dans le scintillateur le 24 août 2025, pendant la mise en service. Un événement isolé démontre le fonctionnement de la chaîne de détection, mais ne constitue pas encore un résultat sur l’ordre des masses.
Source: EyesOnSci
En novembre 2025, la collaboration a présenté ses premiers résultats fondés sur 59 jours de données effectives : des mesures de θ12 et Δm221 annoncées comme 1,5 à 1,8 fois plus précises que les résultats antérieurs. Ces mesures de paramètres d’oscillation ne déterminent pas encore l’ordre des masses.
La détermination de l’ordre des masses exigera encore plusieurs années de données, des calibrations et une analyse contrôlée ; elle ne peut être obtenue par une mesure directe de la masse.
Évolutions futures et expériences mondiales sur les neutrinos
Recherche de la nature de Majorana
Le premier objectif de JUNO est de contribuer à déterminer l’ordre des masses des neutrinos, une pièce importante du cadre des oscillations. Le résultat ne résoudra pas à lui seul l’ensemble des questions sur les particules ou l’Univers.
Grâce à des mesures plus précises des paramètres d’oscillation, les physiciens pourront tester la cohérence du modèle à trois saveurs et mieux préparer d’autres recherches en physique des particules.
À plus long terme, une évolution de JUNO pourrait participer à la recherche de la double désintégration bêta sans neutrino, qui testerait si le neutrino est sa propre antiparticule.
Les antiparticules ont les nombres quantiques opposés de leurs particules correspondantes, tandis que leur masse est identique. Comme le neutrino est neutre, il pourrait théoriquement être une particule de Majorana, mais cela n’a pas été démontré.
L’observation d’une double désintégration bêta sans neutrino montrerait une violation du nombre leptonique et indiquerait que le neutrino est une particule de type Majorana. Ce processus hypothétique n’a encore été observé de manière concluante par aucune expérience.
Hyper-Kamiokande, DUNE et autres projets
Hyper-Kamiokande, ou Hyper-K, succède à Super-Kamiokande, qui a fourni en 1998 une preuve majeure des oscillations des neutrinos atmosphériques. Avec d’autres expériences, ce résultat a établi que les neutrinos ont des états de masse différents.
Hyper-K reprend et agrandit la technologie de détecteur Cherenkov à eau de Super-Kamiokande, tandis que DUNE utilise de l’argon liquide et JUNO un scintillateur liquide. Son démarrage est planifié pour la fin des années 2020, mais les calendriers de grands projets peuvent évoluer.
Hyper-K cherchera notamment une différence entre les oscillations des neutrinos et des antineutrinos, susceptible d’éclairer la violation CP dans le secteur leptonique.
DUNE, Hyper-K et JUNO sont des projets majeurs à des stades de construction ou de mise en service différents. D’autres concepts pourraient compléter leurs mesures.
L’un d’eux est Enhanced NeUtrino BEams from kaon Tagging (ENUBET), un projet européen visant à mesurer les leptons chargés produits avec les neutrinos afin de mieux connaître le flux du faisceau et réduire les incertitudes systématiques.
Le concept NuTag explore lui aussi le marquage des neutrinos : des détecteurs au silicium suivraient les particules parentes dans une nouvelle ligne de faisceau. L’idée remonte à 1979, mais la résistance récente des capteurs au rayonnement la rend plus praticable. Elle reste un projet de recherche.
Conclusion
JUNO est une expérience importante pour préciser l’ordre des masses et plusieurs paramètres d’oscillation. Ses résultats devront être publiés, examinés et combinés avec ceux d’autres expériences avant de résoudre des questions restées ouvertes pendant des décennies.
Cette recherche fondamentale est éloignée des applications quotidiennes, mais les grands instruments, les capteurs, l’électronique et les méthodes d’analyse qu’elle développe peuvent avoir des retombées technologiques indirectes.
Le dispositif Majorana 1 annoncé par Microsoft (MSFT ) concerne des quasiparticules de Majorana dans un solide, pas des neutrinos ni une preuve que le neutrino est sa propre antiparticule. Les affirmations de Microsoft sur ses modes zéro de Majorana et ses « topoconducteurs » font encore l’objet d’un examen scientifique indépendant.
Les projets internationaux comme JUNO développent avant tout des connaissances fondamentales. Leurs retombées commerciales sont possibles, mais imprévisibles et rarement directes.
Investir dans les technologies liées aux neutrinos et aux quasiparticules de Majorana
Microsoft
MSFT Graphique du prix
Microsoft est l’une des plus grandes entreprises technologiques mondiales. Ses activités comprennent Windows, Microsoft 365, Azure, LinkedIn, Xbox, la publicité et GitHub. Sa position est forte sur plusieurs marchés, mais elle ne constitue pas un monopole général et reste soumise à une concurrence et à une réglementation importantes.
L’entreprise investit massivement dans l’intelligence artificielle, notamment avec Copilot et son partenariat avec OpenAI, tout en développant ses propres modèles, infrastructures et produits. La relation avec OpenAI reste matériellement importante et ne peut être résumée par une autonomie complète.
Source: Microsoft
Microsoft poursuit également des recherches en informatique quantique et a annoncé sa puce Majorana 1. L’entreprise affirme que des nanofils supraconducteurs refroidis près du zéro absolu et réglés par des champs magnétiques hébergent des modes zéro de Majorana. Ces résultats ne constituent pas encore un ordinateur quantique tolérant aux pannes et nécessitent une validation indépendante.
Source: Microsoft
(Vous pouvez consulter notre dossier consacré aux activités, perspectives et risques de Microsoft.)
Neutrino Energy
La science des neutrinos a peu d’applications commerciales directes. La société privée allemande Neutrino Energy affirme toutefois développer une technologie dite « neutrinovoltaïque » ; ces affirmations doivent être évaluées avec une grande prudence.
La société propose d’utiliser des couches de graphène — un matériau bidimensionnel composé de carbone — et d’autres matériaux pour convertir des vibrations ou un rayonnement ambiant en électricité. Elle attribue une partie de l’énergie aux neutrinos.
Or les neutrinos interagissent si rarement avec la matière que le flux naturel ne fournit pas, selon la physique établie, une puissance électrique exploitable avec un petit appareil. Des vibrations du graphène peuvent provenir de la chaleur et d’autres rayonnements ambiants ; les comparer aux rares interactions observées dans les détecteurs géants comme DUNE ne valide pas une production neutrinovoltaïque. Aucune démonstration indépendante et évaluée par les pairs d’une puissance utile n’est fournie ici.
La société annonce un prototype appelé Powercube et affirme utiliser l’intelligence artificielle dans son développement. Une annonce de prototype ne démontre ni la source de l’énergie, ni une puissance nette, ni la durabilité, ni la viabilité économique.
La société a aussi annoncé des travaux avec le Centre for Materials for Electronics Technology (CMET) en Inde autour d’un véhicule qu’elle décrit comme « auto-rechargeable ». Sans bilan énergétique indépendant et données publiées, cette formulation ne doit pas être interprétée comme une validation scientifique.
Le calendrier de commercialisation, la puissance, les coûts et le rendement de la technologie ne sont pas établis publiquement. Neutrino Energy est une société privée et spéculative ; ce profil ne constitue ni une exposition directe aux résultats de JUNO ni une recommandation d’investissement.
