Neutrinos, nous vous cherchons ! Le détecteur Super-Kamiokande du Japon. Observatoire Kamioka, ICRR (Institut de recherche sur les rayons cosmiques), Université de Tokyo
Par John Beacom, Université d’État de l’Ohio
Les neutrinos demandent de la patience. Ils en valent la peine, et l’annonce du prix Nobel de physique 2015 le reconnaît, après des prix connexes en 1988, 1995 et 2002. Ironiquement, ces particules quasi indétectables peuvent révéler des choses qui ne peuvent être vues d’aucune autre manière.
Je pourrais commencer par vous dire que les neutrinos sont des particules élémentaires, mais cela semble condescendant. On ne les appelle pas élémentaires parce qu’elles sont faciles à comprendre – elles ne le sont pas – mais parce qu’elles ont une taille apparemment ponctuelle, et que nous ne pouvons pas les décomposer en constituants plus petits. La moitié d’un neutrino, ça n’existe pas.
Les plus petites choses de l’univers
Les atomes, malgré leur nom grec ( » ne peut être coupé « ), ne sont pas des particules élémentaires, ce qui signifie qu’ils peuvent être désassemblés. Un atome est un nuage diffus d’électrons entourant un noyau minuscule et dense composé de protons et de neutrons, qui peut être décomposé en quarks up et down.
Les collisionneurs de particules, qui accélèrent les particules à une vitesse proche de celle de la lumière et les écrasent, nous aident à découvrir de nouvelles particules élémentaires. Premièrement, en raison de E = mc2, l’énergie de la collision peut être convertie en masse de particules. Deuxièmement, plus l’énergie du faisceau de l’accélérateur est élevée, plus nous pouvons résoudre finement les structures composites, tout comme nous pouvons voir des choses plus petites avec les rayons X qu’avec la lumière visible.
Nous n’avons pas été capables de démonter les électrons ou les quarks. Ce sont des particules élémentaires, formant les constituants de base de la matière ordinaire : les briques Lego de l’univers. Il est intéressant de noter qu’il existe de nombreux cousins lourds des particules familières qui n’existent que pendant des fractions de seconde, et ne font donc pas partie de la matière ordinaire. Par exemple, pour les électrons, ce sont le muon et le tauon.
Particules élémentaires, dont les neutrinos font partie. Crédit image : MissMJ
C’est quoi un neutrino ?
En quoi cette particule élémentaire – le neutrino – est-elle différente de toutes les autres particules élémentaires ? Elle est unique en ce qu’elle est à la fois presque sans masse et presque sans interaction. Ces caractéristiques sont différentes, bien que souvent confondues (ne prenez pas de conseils sur les neutrinos auprès d’un poète, même s’il s’agit de John Updike).
C’est un mystère de savoir pourquoi les neutrinos sont presque, mais pas tout à fait, sans masse. Nous savons en revanche pourquoi ils sont presque sans interaction : Ils ne ressentent pas les forces électromagnétiques ou fortes qui lient les noyaux et les atomes, seulement la bien nommée force faible (et la gravité, mais à peine, car leurs masses sont faibles).
Bien que les neutrinos ne soient pas des constituants de la matière ordinaire, ils sont partout autour de nous – un trillion en provenance du soleil passe devant vos yeux chaque seconde. Il y en a des centaines par chaque centimètre cube laissé par le Big Bang. Comme ils interagissent si rarement, il est presque impossible de les observer, et vous ne les sentez certainement pas.
Les neutrinos ont d’autres aspects bizarres. Ils existent en trois types, appelés saveurs – neutrinos d’électron, de muon et de tauon, correspondant aux trois particules chargées avec lesquelles ils s’apparient – et tous semblent être stables, contrairement aux cousins lourds de l’électron.
Parce que les trois saveurs de neutrinos sont presque identiques, il existe la possibilité théorique qu’ils se transforment les uns en les autres, ce qui est un autre aspect inhabituel de ces particules, susceptible de révéler une nouvelle physique. Cette transformation nécessite trois choses : que les masses des neutrinos soient non nulles, qu’elles soient différentes selon les types, et que les neutrinos de saveur définie soient des combinaisons quantiques de neutrinos de masse définie (on parle de « mélange de neutrinos »).
Pendant des décennies, on s’attendait généralement à ce qu’aucune de ces conditions ne soit remplie. Pas par les physiciens des neutrinos, cependant – nous avons gardé espoir.
Faire de l’astronomie avec des particules invisibles
En fin de compte, la nature a fourni, et les expérimentateurs ont découvert, soutenus par les calculs des théoriciens. Il y a d’abord eu des décennies de recherche par de nombreuses expériences, avec des indices importants pour encourager la poursuite.
Puis, en 1998, l’expérience Super-Kamiokande au Japon a annoncé des preuves solides que les neutrinos muoniques produits dans l’atmosphère terrestre se transforment en un autre type (que l’on pense maintenant être des neutrinos tauoniques). La preuve en était que cela se produisait pour les neutrinos qui venaient d’en bas, après avoir parcouru une longue distance à travers la Terre, mais pas pour ceux qui venaient d’en haut, après avoir parcouru une courte distance à travers l’atmosphère. Comme le flux de neutrinos est (presque) le même à différents endroits sur Terre, cela a permis une mesure « avant » et « après ».
Vue du bas de la cuve acrylique de l’Observatoire de neutrinos de Sudbury et du réseau PMT. image credit : Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory
En 2001 et 2002, l’Observatoire de neutrinos de Sudbury, au Canada, a annoncé des preuves solides que les neutrinos électroniques produits dans le noyau du soleil changent aussi de saveur. Cette fois, la preuve était de voir que les neutrinos de saveur électronique qui disparaissaient réapparaissaient ensuite sous d’autres types (on pense maintenant qu’il s’agit d’un mélange de neutrinos muoniques et tauoniques).
Chacune de ces expériences a vu environ deux fois moins de neutrinos que ce que prévoyaient les prédictions théoriques. Et, de façon peut-être appropriée, Takaaki Kajita et Arthur McDonald ont chacun reçu la moitié d’un prix Nobel.
Dans les deux cas, des effets de mécanique quantique, qui n’opèrent normalement qu’à des distances microscopiques, ont été observés à des échelles de distances terrestres et astronomiques.
Comme le disait la une du New York Times en 1998 : » Masse trouvée dans une particule insaisissable ; l’univers pourrait ne jamais être le même. » Ces indications claires de changement de saveur des neutrinos, depuis confirmées et mesurées en détail dans des expériences de laboratoire, montrent que les neutrinos ont une masse et que ces masses sont différentes pour différents types de neutrinos. Il est intéressant de noter que nous ne savons pas encore quelles sont les valeurs de ces masses, bien que d’autres expériences montrent qu’elles doivent être environ un million de fois plus petites que la masse d’un électron, et peut-être même plus petites.
C’est le gros titre. Le reste de l’histoire est que le mélange entre les différentes saveurs de neutrinos est en fait assez important. Vous pourriez penser que c’est une mauvaise nouvelle lorsque les prédictions échouent – par exemple, que nous ne serions jamais en mesure d’observer le changement de saveur des neutrinos – mais ce genre d’échec est bon, car nous apprenons quelque chose de nouveau.
Société internationale des chasseurs de neutrinos
Arthur B. McDonald, professeur émérite à l’Université Queen’s au Canada, s’adresse aux journalistes à l’Université Queen’s à Kingston, en Ontario, le 6 octobre 2015. McDonald et le Japonais Takaaki Kajita ont été co-lauréats du prix Nobel de physique 2015 pour leur découverte que les neutrinos, qualifiés de particules les plus insaisissables de la nature, ont une masse, a indiqué mardi l’organisme chargé de décerner le prix. REUTERS/Lars Hagberg – RTS3AOV
Takaaki Kajita lors d’une conférence de presse après l’annonce de son prix Nobel de physique. Crédit photo : Kato/Reuters
Je suis ravi de voir cette reconnaissance pour mes amis Taka et Art. J’aurais aimé que plusieurs personnes clés, expérimentateurs et théoriciens, qui ont contribué de manière essentielle, soient reconnues de la même manière. Il a fallu de nombreuses années pour construire et exploiter ces expériences, qui reposaient elles-mêmes sur un travail lent, difficile et en grande partie ingrat, remontant à plusieurs décennies et nécessitant l’effort de centaines de personnes. Cela inclut une participation américaine majeure à Super-Kamiokande et à l’Observatoire de neutrinos de Sudbury. Donc, félicitations aux neutrinos, à Taka et Art, et aux nombreuses autres personnes qui ont rendu cela possible !
Lorsque j’ai commencé à travailler sur les neutrinos, il y a plus de 20 ans, de nombreuses personnes, y compris des scientifiques éminents, m’ont dit que je perdais mon temps. Plus tard, d’autres m’ont exhorté à travailler sur autre chose, car « les gens qui ont travaillé sur les neutrinos ne trouvent pas de travail. » Et, encore aujourd’hui, beaucoup de physiciens et d’astronomes pensent que nous courons après quelque chose de presque imaginaire.
Mais ce n’est pas le cas. Les neutrinos sont réels. Ils sont une partie essentielle de la physique, faisant la lumière sur l’origine de la masse, l’asymétrie particule-antiparticule de l’univers, et peut-être l’existence de nouvelles forces qui sont trop faibles pour être testées avec d’autres particules. Et elles sont une partie essentielle de l’astronomie, révélant les accélérateurs à plus haute énergie de l’Univers, ce qu’il y a à l’intérieur des étoiles les plus denses, et peut-être des objets astrophysiques nouveaux et autrement invisibles.
L’auteur décrit comment les faits que nous apprenons sur l’univers façonnent notre sens du sens.
Particules minuscules, grands mystères
Pourquoi devriez-vous vous y intéresser, au-delà du partage de notre curiosité à révéler certaines des choses les plus étranges de l’univers ?
La force faible que ressentent les neutrinos est ce qui change les protons en neutrons, alimentant les réactions de fusion nucléaire dans le soleil et les autres étoiles, et créant les éléments qui rendent les planètes et la vie elle-même possibles.
Les neutrinos sont le seul composant de la matière noire que nous comprenons, et comprendre le reste nous aidera à comprendre la structure et l’évolution de l’univers. Si les masses des neutrinos avaient été beaucoup plus importantes, l’univers aurait un aspect bien différent, et peut-être ne serions-nous pas là pour le voir.
Enfin, si l’on est purement pratique, la physique et l’astrophysique des neutrinos est l’un des métiers les plus difficiles, qui nous oblige à inventer des détecteurs et des techniques incroyablement sensibles. Ces connaissances ont d’autres utilisations ; par exemple, en utilisant un détecteur de neutrinos, nous pourrions dire si un prétendu réacteur nucléaire est allumé, quel est son niveau de puissance et même s’il produit du plutonium. Cela pourrait avoir quelques applications dans le monde réel.
Les dernières décennies en physique et en astronomie des neutrinos ont été formidables, mais certaines des choses les plus excitantes commencent tout juste à se produire. L’observatoire de neutrinos IceCube, au pôle Sud, voit maintenant des neutrinos de haute énergie provenant de l’extérieur de notre galaxie. Super-Kamiokande a annoncé un plan, basé sur une proposition de Mark Vagins et moi-même, pour améliorer sa sensibilité aux antineutrinos par rapport aux neutrinos. Et la communauté internationale espère construire une nouvelle grande installation de neutrinos, dans laquelle un puissant faisceau de neutrinos sera envoyé de Fermilab, dans l’Illinois, vers un détecteur situé dans les profondeurs de la mine Homestake, dans le Dakota du Sud. Qui sait ce que nous trouverons ?
Et c’est ce que j’attendais vraiment.
John Beacom, professeur de physique, professeur d’astronomie et directeur du Center for Cosmology and AstroParticle Physics (CCAPP), Ohio State University
Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l’article original.
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