Situés à environ 120 kilomètres de Rome, entre L’Aquila et Teramo, les Laboratoires nationaux du Gran Sasso constituent le plus grand complexe souterrain opérationnel consacré à la physique des astroparticules. Administrés par l’Institut national italien de physique nucléaire (INFN), ils occupent près de 180 000 mètres cubes de galeries et de salles expérimentales, accessibles depuis le tunnel autoroutier qui traverse la montagne. Trois immenses salles, longues chacune d’une centaine de mètres, abritent des équipements scientifiques dont certains ressemblent davantage à des installations industrielles qu’à des instruments de laboratoire. Pourtant, les phénomènes recherchés sont parfois si ténus qu’un événement significatif peut nécessiter des mois, voire des années d’observation.
Pourquoi s’enfoncer aussi profondément sous terre pour étudier l’Univers ? La réponse tient à un paradoxe : pour observer certaines particules venues du cosmos, il faut d’abord se protéger du cosmos lui-même. À la surface, notre planète subit un bombardement permanent de rayons cosmiques. Ces particules produisent une multitude de signaux parasites qui rendent presque impossible la détection des phénomènes les plus rares. Les 1 400 mètres de roche du Gran Sasso constituent un écran naturel extraordinaire, réduisant d’environ un million de fois le flux de rayons cosmiques qui parvient aux installations. C’est dans ce silence expérimental que les scientifiques peuvent espérer distinguer un signal authentique du bruit de fond.
Mais qu’est-ce exactement qu’un neutrino ? Il s’agit d’une particule élémentaire électriquement neutre, d’une masse extrêmement faible, qui interagit très rarement avec la matière. Les neutrinos sont produits en quantités phénoménales par les réactions nucléaires au cœur du Soleil, par certaines désintégrations radioactives, dans les réacteurs nucléaires ou lors de phénomènes astrophysiques violents comme l’effondrement d’une étoile. À chaque seconde, des dizaines de milliards de neutrinos solaires traversent chaque centimètre carré de notre corps sans que nous en ayons la moindre perception. Ils traversent les murs, les montagnes et des épaisseurs considérables de matière presque comme si rien n’existait sur leur passage. Notre corps est ainsi continuellement traversé par des messagers provenant du cœur du Soleil.
Le neutrino possède une autre propriété fascinante : il peut changer d’identité pendant son déplacement. Les physiciens distinguent trois types, appelés « saveurs » : électronique, muonique et tauique. Le passage de l’un à l’autre constitue ce que l’on appelle l’oscillation des neutrinos. Ce phénomène démontre qu’ils possèdent une masse, contrairement à ce que prévoyait leur description initiale dans le modèle standard de la physique des particules. Cette découverte, récompensée par le prix Nobel de physique en 2015, a révélé une limite importante de notre théorie actuelle de la matière. Nous savons donc que les neutrinos ont une masse, mais leur masse absolue demeure encore mal connue.
Le laboratoire du Gran Sasso a joué un rôle majeur dans cette révolution scientifique. L’expérience OPERA a notamment étudié des neutrinos produits au CERN, près de Genève, et envoyés à travers quelque 730 kilomètres de croûte terrestre jusqu’aux détecteurs italiens. Les scientifiques ont pu y observer la transformation de neutrinos muoniques en neutrinos tauiques, confirmant directement l’existence de ces oscillations. L’histoire a aussi connu un épisode spectaculaire : en 2011, une mesure semblait indiquer que certains neutrinos se déplaçaient plus vite que la lumière. L’annonce avait fait sensation, avant qu’un problème dans le système de synchronisation, notamment lié à une connexion de fibre optique, ne révèle une erreur instrumentale. Loin de discréditer la recherche, cet épisode reste une démonstration de la manière dont la science vérifie et corrige ses propres résultats.
L’une des plus remarquables expériences conduites au Gran Sasso porte le nom de Borexino. Ce détecteur, utilisant un liquide d’une pureté exceptionnelle, a permis d’étudier les neutrinos émis par le Soleil avec une précision inédite. En 2020, la collaboration annonçait dans la revue *Nature* avoir observé directement les neutrinos produits par le cycle carbone-azote-oxygène, un mécanisme de fusion nucléaire qui contribue à faire briller les étoiles. C’était une avancée majeure : pour comprendre le fonctionnement intime du Soleil, nous ne disposons pas d’une caméra capable d’en filmer le noyau. Les neutrinos constituent l’un de nos rares moyens d’obtenir des informations directement issues de ses profondeurs. Borexino, dont la prise de données s’est achevée en 2021, a également permis d’étudier les géoneutrinos, des antineutrinos issus des désintégrations radioactives à l’intérieur de notre propre planète. Grâce à eux, les chercheurs peuvent mieux comprendre une partie de la chaleur produite dans les entrailles terrestres.
Les découvertes se poursuivent. Le 31 août 2026, la collaboration XENON a annoncé un résultat remarquable obtenu au Gran Sasso : l’observation, avec le détecteur XENONnT, de neutrinos solaires de très basse énergie interagissant avec des électrons. L’expérience a permis d’atteindre une sensibilité à des neutrinos d’environ 17 kiloélectronvolts, ouvrant une nouvelle fenêtre d’observation sur les réactions nucléaires du Soleil. Ce résultat est d’autant plus intéressant que XENONnT n’avait pas été conçu principalement pour étudier ces particules. Son objectif central est encore plus mystérieux : retrouver la trace de la matière noire.
Car la matière qui compose nos corps, les planètes, les étoiles et tout ce que nous voyons ne représenterait qu’une faible partie de la matière présente dans l’Univers. Les observations astrophysiques indiquent qu’environ 85 % de la matière cosmique est constituée d’une composante invisible, appelée matière noire. Nous pouvons en mesurer les effets gravitationnels, notamment sur le mouvement des galaxies, mais nous ignorons toujours sa véritable nature. Parmi les hypothèses étudiées figure l’existence de particules massives interagissant très faiblement avec la matière ordinaire, les WIMPs. Des expériences comme XENONnT, qui utilise plusieurs tonnes de xénon liquide, ou DarkSide-20k, en construction autour d’un détecteur à argon liquide, cherchent à observer leurs collisions rarissimes avec des atomes. À ce jour, aucune particule de matière noire n’a été identifiée de manière incontestable. Le Gran Sasso est l’un des endroits où cette découverte pourrait se produire, sans que rien garantisse qu’elle y aura lieu.
Une autre question, plus déroutante encore, occupe les scientifiques : pourquoi existe-t-il davantage de matière que d’antimatière dans l’Univers ? Les théories décrivant les premiers instants du cosmos rendent cette asymétrie particulièrement difficile à expliquer. Certaines recherches portent donc sur une propriété fondamentale des neutrinos : pourraient-ils être leurs propres antiparticules ? Les expériences LEGEND et CUPID recherchent notamment un phénomène hypothétique appelé « double désintégration bêta sans émission de neutrinos ». Sa découverte bouleverserait notre compréhension des particules élémentaires et pourrait éclairer, indirectement, l’origine du déséquilibre entre matière et antimatière. Il ne s’agit pas d’un phénomène déjà observé, mais d’une hypothèse que les chercheurs cherchent précisément à mettre à l’épreuve.
Le laboratoire ne se limite pourtant ni aux neutrinos ni à la matière noire. Avec l’expérience LUNA et les installations d’accélérateurs souterrains, les chercheurs reproduisent certaines réactions nucléaires qui se déroulent au cœur des étoiles. L’objectif est de mieux comprendre la fabrication des éléments chimiques et les mécanismes qui gouvernent l’évolution stellaire. Il y a quelque chose de remarquable dans cette démarche : au fond d’une montagne italienne, on étudie les réactions qui permettent aux étoiles de briller à des millions ou des milliards de kilomètres de nous.
Les enjeux sont évidemment scientifiques, mais ils sont aussi technologiques et philosophiques. Ces expériences exigent des détecteurs ultrasensibles, des matériaux d’une pureté exceptionnelle, des systèmes cryogéniques et des méthodes d’analyse capables de distinguer des événements presque imperceptibles. Les techniques développées peuvent ensuite trouver des applications dans d’autres domaines. Mais il serait réducteur de ne juger ces recherches qu’à leurs retombées pratiques. Leur ambition première est plus fondamentale : découvrir les lois qui gouvernent la réalité, y compris lorsqu’elles contredisent ce que nous croyions savoir.
Nous vivons dans une civilisation capable de photographier des galaxies situées à des milliards d’années-lumière, mais qui ignore encore la nature de l’essentiel de la matière cosmique. Nous savons calculer avec une précision extraordinaire le comportement de nombreuses particules, tout en restant incapables de répondre définitivement à certaines questions élémentaires sur leur masse ou leur origine. Le Gran Sasso est l’un des lieux où cette contradiction devient palpable. On y mesure à quel point notre connaissance du monde est immense, et à quel point elle demeure inachevée.
Au fond, c’est peut-être cela qui rend ce laboratoire si fascinant. À 1 400 mètres sous la montagne, des hommes et des femmes ont construit des machines gigantesques pour observer des phénomènes infiniment petits. Ils ne cherchent ni trésor enfoui ni civilisation disparue. Ils cherchent les traces de ce qui a rendu possibles les étoiles, la Terre, la vie et notre propre existence.
Et il n’est pas impossible qu’une partie des réponses aux plus grandes questions de l’Univers se trouve, paradoxalement, dans le silence d’une montagne italienne.
