Des neutrinos pour sonder la composition des profondeurs de la Terre
Et si les neutrinos permettaient de voir autrement l’intérieur de notre planète ? Une équipe interdisciplinaire associant notamment des chercheurs de l’IPGP explore l’utilisation des neutrinos atmosphériques comme une nouvelle sonde de la Terre profonde. En complément de la sismologie, ces particules pourraient à terme aider à mieux imager non seulement la densité, mais aussi la composition chimique du manteau terrestre, et notamment la présence d’éléments légers comme l’hydrogène.
L’intérieur profond de la Terre recèle encore de nombreuses inconnues. Depuis plusieurs décennies, la sismologie permet d’en révéler la structure avec une précision croissante grâce à l’analyse de la propagation des ondes générées par les séismes. Mais passer de ces observations à une description précise de la température et surtout de la composition chimique des profondeurs terrestres reste difficile : des variations de vitesse sismique peuvent en effet avoir plusieurs origines différentes.
Pour dépasser cette ambiguïté, une équipe réunissant des spécialistes de la sismologie, de la physique des neutrinos et des méthodes inverses propose d’exploiter une source d’information radicalement différente : les neutrinos atmosphériques.
Des particules capables de traverser la Terre
Les neutrinos sont des particules élémentaires extrêmement légères et très peu interactives avec la matière. Cette propriété leur permet de traverser pratiquement toute la planète.
L’actualité scientifique leur donne aujourd’hui une résonance particulière : le prix Nobel de physique 2026 a été attribué à Francis Halzen pour ses contributions au développement de l’observatoire IceCube et à la découverte de neutrinos de haute énergie provenant de sources astrophysiques.
L’approche développée dans cette nouvelle étude porte toutefois sur une autre population de neutrinos. Il ne s’agit pas ici de neutrinos provenant des confins de l’Univers, mais de neutrinos produits continuellement dans l’atmosphère terrestre lorsque les rayons cosmiques interagissent avec celle-ci.
En traversant la Terre, ces neutrinos évoluent selon un phénomène appelé oscillation. Or ces oscillations sont influencées par la quantité d’électrons rencontrée le long de leur trajectoire.
C’est précisément cette propriété qui pourrait faire des neutrinos une nouvelle sonde de l’intérieur terrestre.
Une information complémentaire de celle des séismes
La densité électronique d’un matériau dépend à la fois de sa densité de masse et de sa composition chimique. Les neutrinos sont ainsi sensibles aux propriétés de la Terre d’une façon différente des ondes sismiques.
L’objectif à plus long terme est donc de combiner les observations sismologiques et les mesures de neutrinos dans une inversion commune, afin de mieux séparer les effets liés à la température, à la densité et à la composition chimique.
Dans cette première étape, les chercheurs ont construit le modèle direct nécessaire à cette approche : celui-ci permet de calculer la façon dont une structure donnée de densité électronique à l’intérieur de la Terre modifie le signal de neutrinos attendu dans les détecteurs.
Ils ont ensuite évalué comment de petites variations de cette densité électronique affecteraient le nombre de neutrinos mesurés. Ces calculs permettent notamment d’établir les noyaux de sensibilité nécessaires aux futures méthodes d’inversion tomographique.
Le manteau particulièrement accessible aux futurs détecteurs
Les résultats montrent que la prochaine génération de grands détecteurs de neutrinos, parmi lesquels KM3NeT/ORCA, Hyper-Kamiokande et DUNE, devrait être sensible à des variations de densité à l’intérieur de la Terre.
La sensibilité apparaît particulièrement intéressante dans le manteau. Même si la résolution spatiale envisagée reste de l’ordre de plusieurs centaines à un millier de kilomètres, cette nouvelle approche pourrait permettre de tester certaines grandes hétérogénéités chimiques aujourd’hui difficiles à caractériser par la seule sismologie.
À terme, l’un des enjeux serait notamment de contraindre la présence d’éléments légers et en particulier d’hydrogène dans le manteau et dans la zone de transition, située entre environ 410 et 660 kilomètres de profondeur.
De telles observations pourraient apporter de nouveaux éléments sur le stockage et la circulation de l’eau dans les profondeurs de la planète, mais aussi sur son histoire primitive et les processus qui ont accompagné sa formation et sa différenciation.
À la croisée de la géophysique et de la physique des particules
Ce travail ‘Goos et al. (2026)’ est le fruit d’une collaboration interdisciplinaire qui s’est développée au fil des années, notamment avec le soutien des programmes Labex Univ’EarthS, CNRS 80 PRIME, Crossing Cutting Edges et HERMES de l’Université Paris Cité, et qui rassemble aujourd’hui des compétences de l’IPGP, de l’APC ainsi que des chercheurs basés à Lyon et aux États-Unis.
En associant des observables reposant sur des phénomènes physiques totalement différents, la sismologie d’un côté et les oscillations de neutrinos de l’autre, les chercheurs ouvrent ainsi la voie à une nouvelle génération de méthodes d’imagerie de l’intérieur des planètes.
Une approche encore prospective, mais qui pourrait à terme permettre de ne plus seulement cartographier la structure de la Terre profonde : elle pourrait également aider à en déterminer la composition.
Références :
Isabel A. Goos, Nobuaki Fuji, Stéphanie Durand, Véronique Van Elewyck, João A.B. Coelho Eric Mittelstaedt, Yael Deniz
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X26005340
