L'observation de l'univers s'est traditionnellement faite grâce aux photons. Cependant, aux hautes énergies, les photons ont tendance à être absorbés par la matière interstellaire et le fond diffus cosmologique. Dans ce contexte, le ciel lointain de haute énergie, celui des phénomènes cataclysmiques de l'enfance de l'Univers, se dérobe à l'astronome.

Mais un nouveau messager, le neutrino, peut ouvrir une nouvelle fenêtre sur ces mystères. Neutre et léger, le neutrino interagit peu avec la matière. Cela lui donne à la fois la possibilité de s'échapper des zones les plus denses de l'Univers et de parcourir des distances cosmologiques sans subir aucune altération. Pour la même raison, cependant, le neutrino est également très difficile à observer. Afin d'étudier ces neutrinos cosmiques, des télescopes à neutrinos instrumentent d'énormes volumes d'eau avec des tubes photomultiplicateurs pour capturer les interactions rares de ces particules insaisissables.

Les neutrinos atmosphériques ont traditionnellement été considérés comme un bruit de fond pour la détection des neutrinos astrophysiques. Ces dernières années, cependant, on s'est rendu compte qu'aux énergies de l'ordre du GeV, ce flux détenait la clé pour résoudre une question fondamentale de la physique des particules : celle de la hiérarchie de masse des neutrinos. La question se résume à : Les états des neutrinos associés principalement au lepton chargé le plus léger (l'électron) sont-ils également les états des neutrinos les plus légers (hiérarchie normale) ou sont-ils les plus lourds (hiérarchie inversée) ? Pour répondre à cette question, les télescopes à neutrinos peuvent mesurer le modèle d'oscillations des neutrinos atmosphériques à la recherche de résonances caractéristiques dues à la réfraction des neutrinos à l'intérieur de la Terre.

L'équipe APC est impliquée dans deux projets de télescopes à neutrinos en Méditerranée : ANTARES et KM3NeT.

Le détecteur ANTARES a fonctionné en continu de 2007 à 2022, démontrant la faisabilité d'un télescope à neutrinos sous-marin. Ce télescope comportait 12 lignes de détection équipées de photomultiplicateurs destinés à identifier le trajet lumineux laissé par les particules filles des neutrinos après leur interaction au voisinage.

L'équipe APC est responsable de l'étalonnage de la charge et de la surveillance de la qualité des données du détecteur, qui sont essentielles pour atteindre et maintenir les meilleures performances possibles du détecteur au fil des ans. Les cinq dernières années ont été particulièrement fructueuses pour l'exploitation scientifique des données ANTARES, avec plusieurs contributions clés du groupe APC pour contraindre l'origine du flux cosmique de neutrinos. Le détecteur ANTARES a été déconnecté en février 2022 et l'activité des membres de l'équipe se déplace progressivement vers KM3NeT, bien que les activités d'analyse sur l'ensemble de données final se poursuivront pendant quelques années.

KM3NeT est le télescope à neutrinos de nouvelle génération actuellement en construction sur deux sites abyssaux en mer Méditerranée : ORCA près de Toulon, France, et ARCA près de Capo Passero, Sicile. Alors qu'ORCA est principalement dédié aux études fondamentales de la physique des neutrinos aux énergies GeV, l'objectif principal d'ARCA est l'astronomie des neutrinos à haute énergie (TeV-PeV). L'achèvement des réseaux complets ORCA et ARCA est prévu pour 2025 et 2027 respectivement et les deux détecteurs devraient fonctionner pendant au moins 10 ans.

Les activités scientifiques du groupe se concentrent actuellement sur les études de physique des neutrinos avec ORCA et sur l'évaluation du potentiel d'ORCA et d'ARCA pour l'astronomie des neutrinos à basse énergie, sous-GeV, avec un intérêt particulier pour la possibilité de détecter les neutrinos MeV des supernovae à effondrement de cœur. L'équipe est fortement impliquée dans la mesure de la hiérarchie de masse des neutrinos, ainsi que dans le développement de recherches sur la physique au-delà du modèle standard. L'équipe dirige également un projet interdisciplinaire visant à explorer le potentiel des détecteurs de neutrinos pour mesurer les propriétés de l'intérieur de la Terre.

Sur le plan technique, le groupe exploite dans le hall d'assemblage du laboratoire un réservoir d'eau de 8 m³ entouré de scintillateurs pour la caractérisation de l'acceptation des DOM et de la réponse aux muons atmosphériques. L'équipe, en collaboration avec le CPPM, est également en charge de la conception et de la construction de la première unité d'étalonnage KM3NeT qui sera déployée dans les prochains mois sur le site ORCA.