Les neutrinos

 

Initiation à la vie des neutrinos

Les neutrinos (lien externe Wikipédia - FR) entretiennent le suspense au sein des communautés scientifiques depuis bientôt un siècle.

De l’argument énergétique ayant motivé la prédiction de leur existence (avancé par W. Pauli en 1930) à la découverte de leurs trois visages (électron, muon et tau) en passant par la question de savoir quelles masses ont ces diverses représentations et à quelles vitesses elles se déplacent, les épisodes du feuilleton relatant la vie des neutrinos ne manquent pas de rebondissements.

Détection des premiers neutrinos issus du centre du soleil

Un des derniers épisodes provient des équipes du Gran Sasso en Italie [01]. Après vingt années de dur labeur passées à affiner les instruments de mesure et les protocoles, elles viennent de détecter les premiers neutrinos émis par le cœur solaire au travers d’une réaction impliquant le cycle carbone, azote, oxygène (CNO).

Des atomes hybrides pour mesurer la masse des particules

Les physiciens ne manquent pas d’imagination. Pour mesurer la masse des neutrinos, ils ont imaginé de modifier pour quelques instants la configuration naturelle de certains atomes ; en particulier de l’hélium.

Car s’il est de plus en plus certain que les neutrinos ont une masse, ce qui ne semblait pas encore possible il y a quelques années, personne ne comprend vraiment bien la notion de masse, ni comment les particules acquièrent cette propriété essentielle.

La fabrication d’atomes modifiées pour mieux comprendre leur forme naturelle n’est pas une idée complètement nouvelle [02], [03]. Le principe consiste à substituer une partie des électrons par d’autres particules pour créer une copie instable de l’atome initial afin d’en étudier ensuite le retour vers l’état standard.

Le procédé a été utilisé dès 2010 par une équipe allemande. Créant un hydrogène de type muonique, c’est-à-dire un atome d’hydrogène dans lequel l’électron habituel a été remplacé par son cousin deux cent fois plus massif -le muon-, l’observation du retour à la normale à l’aide de la spectroscopie a fourni de nouvelles mesures du rayon du proton et ouvert une discussion dans le landernau scientifique [04]. Il faut dire que les nouvelles mensurations présentaient un écart significatif (dix pour cent) avec les mesures précédentes et servant jusque-là de référence.

Cette technique de substitution s’est récemment améliorée, en partie grâce à un usage expert des lasers et des techniques du froid. Il a cette fois-ci été possible de remplacer un électron par un méson, c’est-à-dire par une paire « quark-antiquark ». Le défi qui vient d’être relevé est infiniment plus compliqué puisque ces atomes pioniques comme il serait judicieux de les nommer ont une durée de vie ultra-courte, de l’ordre de la picoseconde (10-12 s) !

La première difficulté a donc été de créer des hybrides dont la durée de vie soit relativement plus longue … En bombardant un bloc de carbone avec un rayon laser, des pions sont créés. Ils sont ensuite dirigés de force vers des atomes d’hélium 4 placés dans un état superfluide.

Dans une grande majorité de cas, l’atome se désintègre immédiatement et il ne résulte rien de cette manœuvre. Mais parfois, cette union forcée donne naissance à un hélium pionique pendant quelques nanosecondes (10-9 s) grâce à un environnement refroidi quelques degrés au-dessus du zéro absolu qui les protège d’interactions avec d’autres atomes.

Une fois formé, cet hélium pionique se désintègre si on le laisse évoluer spontanément. L’étude des produits de cette désintégration peut alors en principe livrer de précieuses indications sur cette union contre-nature. Malheureusement, ces hybrides sont si peu nombreux que leurs produits dérivés se noient dans l’océan des désintégrations initiales (He + pions).

C’est l’endroit où la spectroscopie entre en jeu et permet d’identifier la fréquence à laquelle l’hybridation a lieu. Et elle donne des indications sur la masse des pions et de leurs composants. Les équipes impliquées dans ces expérimentations espèrent augmenter la précision de la mesure sur la masse des constituants d’un facteur compris entre dix et cent. C’est là tout l’intérêt de ces procédures aussi rusées que sophistiquées.

Elles pourront en plus contribuer à mieux comprendre la rupture de symétrie entre matière et antimatière [05].

Neutrinos et ruptures de symétries

La nature ne considère pas la matière et l’antimatière de façon symétrique. La meilleure preuve de cette affirmation est sans doute l’étrange absence d’antimatière non seulement sur Terre mais dans le proche environnement de notre planète.

Cette brisure de symétrie apparait aujourd’hui de plus en plus clairement aux physiciens en charge de l’analyse comportementale des neutrinos.

Non seulement les neutrinos existent, mais : (i) ils ont une masse, (ii) ils apparaissent de trois manières dans la nature (les saveurs), (iii) ils sont capables de changer de visage en cours de route et (iv) leurs antiparticules (les antineutrinos, donc) ne se comportent pas comme les neutrinos.

C’est la conclusion à laquelle est parvenue la collaboration T2K après sept années d’observation (2010 – 2017) ; tout en pointant du doigt le fait que les mesures vont encore durer cinq années de manière à multiplier par deux et demi le nombre d’évènements observés… et donc leur fiabilité [06].

La vitesse des neutrinos

Un article paru en juillet 2018 [07] rend compte des derniers développements concernant la mesure de la vitesse des neutrinos.

Certaines théories prédisent que l’espace-temps serait discontinu aux plus petites échelles et qu’il deviendrait alors pertinent de se le représenter par une sorte de structure en réseau ou d’écheveau de cordes entrelacées (voir sur le monoblog la page : aires et métriques). Deux exemples parmi de nombreux autres : la théorie des boucles quantiques et celle de l’écume sur un océan de spins adhèrent peu ou prou à cette vision. Certains modèles avancent aussi l’idée que les transformations de Lorentz seraient violées.

Ces hypothèses, si elles s’avéraient vraies, devraient avoir pour effet d’introduire des différences dans la durée d’un voyage « galaxie émettrice – Terre » qui soient proportionnelles (i) bien entendu à la distance à parcourir et (ii) à l’énergie des particules considérées … mais inversement proportionnelles à un coefficient (M1) dont la valeur est estimée être approximativement égale à la masse de Planck.

Cette prédiction repose sur des arguments heuristiques accompagnant lesdites théories (notamment inspirées de celles des cordes). En réalité, la valeur exacte de ce coefficient dépend d’un ensemble de paramètres actuellement inconnus ; parmi eux : le taux de couplage des cordes entre elles, la proportion de défauts au sein de l’espace-temps, la force d’interaction entre ces défauts et les particules connues, etc. Les chercheurs sont donc contraints à en trouver la valeur via l’expérience.

Les spéculations théoriques ne trouvant effectivement leurs justifications que dans leur confrontation avec la réalité observable, les scientifiques ont tenté de mesurer les temps de parcours des ondes gravitationnelles, des photons et des neutrinos émis simultanément par une même galaxie lointaine.

Concernant les photons et les neutrinos, et en ayant réussi à s’abstraire de la dépendance énergétique, le ratio rendant compte des différences de comportement entre les diverses particules testées est de l’ordre de 10.E-11 pour un trajet de 4 milliards d’années-lumière…

Concrètement, photons et neutrinos mettent quasiment le même temps pour parcourir la distance les séparant de la galaxie choisie pour la mesure. Ce ratio est en effet bien trop petit pour permettre d’affirmer que neutrinos et photons voyageraient à des vitesses significativement différentes.

Ce nouvel article fait suite à une longue série de recherches similaires. Bien que sa conclusion se veuille optimiste (utilisation d’une nouvelle manière de mesurer les différences dans les temps de parcours, comparaison entre divers ensembles de mesures, etc.), il illustre à nouveau les difficultés inhérentes au fait de vouloir décrire la structure spatiotemporelle à l’aide d’un maillage discontinu.

Cette description alternative de la réalité constitue à coup sûr une des réalisations de l’expertise mathématique moderne et trouve son épanouissement dans les industries du jeu, de l’automobile et de l’aviation où elle permet la modélisation d’objets ou d’interconnexions sophistiquées entre les objets.

Il n’est cependant pas certain -à ce stade des explorations- qu’elle apporte l’éclairage nouveau et souhaité sur la nature du substrat spatiotemporel. Pour le moins, cet article confirme que la mesure précise des coefficients de type M1 (un pour chaque type de particules) reste un objectif intéressant, même si l’interprétation des futurs résultats risque de représenter un défi délicat.

© Thierry PERIAT.

Vers le survol des sciences

Vers le plan du livre.

Lectures complémentaires :

[01] Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the sun; Nature, Vol. 587, published online 25 November 2020; https://doi.org/10.1038/s41586-020-2934-0.

[02] Did matter-antimatter mix yield molecules; published online, Nature, 22 November 2005, doi:10.1038/news051121-4.

[03] Artificial hydrogen tests quantum theory; Nature (2011), https://doi.org/10.1038/news.2011.48.

[04] Proton-size puzzle deepens; Nature 536, 253 (2016), https://doi.org/10.1038/536253f.

[05] The race to reveal antimatter’s secrets: Nature 548, 20-23 (03 August 2017); doi:10.1038/548020a.

[06] Search for CP Violation in Neutrino and Antineutrino Oscillations by the T2K Experiment with 2.2 × 1021 Protons on Target; Phys. Rev. Lett. 121, 171802 – Published 24 October 2018.

[07] Limits on neutrinos Lorentz violations from multi-messengers; observation from TXS 0506+056; arXiv:1807.05155v1 [astro-ph. HE], 13 July 2018.

Date de dernière mise à jour : 28/11/2020