Chasse à la particule fantôme : qu’est-ce qu’un neutrino et comment pourrait-il briser la physique ?

ce est venu de l’espace lointain, se déplaçant à la vitesse de la lumière, et s’est écrasé en Antarctique† Profondément sous la glace, il a sa fin. Ce n’était pas un astéroïde ou un vaisseau spatial extraterrestre, mais une particule qui interagit rarement avec la matière, connue sous le nom de neutrino.

Bien que théorisés dans les années 1930 et détectés pour la première fois dans les années 1950, les neutrinos maintiennent une aura mystérieuse et sont souvent surnommés “particules fantômes” – ils ne sont ni obsédants ni dangereux, mais ils traversent simplement la Terre sans même que nous les remarquions. Oh, “et c’est un nom cool”, selon l’astrophysicien Clancy James de l’Université Curtin en Australie occidentale.

Ces dernières années, les particules fantômes ont fait la une des journaux pour toutes sortes de raisons et pas seulement parce qu’elles portent un nom sympa. Cette collision antarctique a été attribuée à un trou noir qui a déchiqueté une étoile, par exemple, et d’autres neutrinos semblent provenir du soleil. Début 2022, les physiciens ont pu déterminer directement la masse approximative d’un neutrino – une découverte qui pourrait aider à découvrir une nouvelle physique ou à enfreindre les règles du modèle standard.

Imaginez si nous capturions réellement un fantôme et pouvions dire que le spectre était celui de quelqu’un qui était mort. Cela changerait tout ce que nous savons sur l’univers. un fantôme particule est à peu près un gros problème pour la même raison, et c’est pourquoi les astrophysiciens essaient de les piéger. Ils sont excités, et voici pourquoi vous devriez l’être aussi.

L'observatoire IceCube au pôle Sud, entouré de neige, avec une unité rectangulaire centrale et deux tours cylindriques de chaque côté

L’observatoire IceCube en Antarctique.

Erik Beiser, IceCube/NSF

Qu’est-ce qu’un neutrino ?

En un mot, un neutrino est une particule subatomique fondamentale. Selon le modèle standard de la physique des particules, il est classé comme un “lepton”. D’autres leptons comprennent les électrons, les particules chargées négativement qui composent les atomes, avec les protons et les neutrons. Mais écoutez, si on rentre dans tout ça, on va approfondir la physique des particules et ça va nous exploser le cerveau.

Le neutrino est unique car il a une masse extrêmement petite et aucune charge électrique et on le trouve dans tout l’univers. “Ils sont fabriqués au soleil, dans des réacteurs nucléaires et lorsque des rayons cosmiques à haute énergie pénètrent dans l’atmosphère terrestre”, explique Eric Thrane, astrophysicien à l’Université Monash en Australie. Ils sont également fabriqués par certains des objets les plus extrêmes et les plus puissants que nous connaissions, comme les trous noirs supermassifs et les étoiles qui explosent, et ils ont également été produits au début de l’univers : le Big Bang.

Comme la lumière, ils voyagent essentiellement en ligne droite à partir de l’endroit où ils sont créés dans l’espace. D’autres particules chargées sont à la merci des champs magnétiques, mais les neutrinos traversent le cosmos sans encombre ; une balle fantomatique tirée d’un monstrueux pistolet cosmique.

Et, pendant que vous lisez ceci, des milliards d’entre eux traversent la Terre et vous traversent directement.

Ils me rentrent dedans en ce moment ?

Oui, exactement. Chaque seconde de chaque jour depuis le jour de votre naissance, des neutrinos se sont déplacés dans votre corps. Vous ne le savez tout simplement pas parce qu’ils interagissent avec presque rien. Ils ne s’écrasent pas sur les atomes qui vous composent, et donc vous ne savez même pas qu’ils sont là. Tout comme un esprit ténébreux traversant un mur, le neutrino se déplace à travers. Heureusement, aucun exorcisme n’est requis.

Mais pourquoi devrais-je me soucier des neutrinos ?

Les étudier pendant des décennies a créé une petite surprise pour les scientifiques. Selon le modèle standard, les neutrinos ne devraient pas avoir de masse. Mais ils le font. “Le fait qu’ils le fassent nous oriente vers une nouvelle physique pour améliorer notre compréhension de l’univers”, note James.

L’énigme de la masse des neutrinos est apparue pour la première fois dans les années 1960. Les scientifiques avaient suggéré que le soleil devrait produire ce qu’on appelle des neutrinos électroniques, un type particulier de particule subatomique. Mais ce n’était pas le cas. Ce “problème des neutrinos solaires” a conduit à une découverte révolutionnaire : les neutrinos peuvent changer saveur.

Comme un sac presque vide de Mentos, la particule fantôme se présente en seulement trois saveurs distinctes – électron, muon et tau – et elles peuvent changer de saveur lorsqu’elles se déplacent dans l’espace (la saveur est la terminologie actuelle, je ne fais pas ça pour cette analogie). Par exemple, un neutrino électronique pourrait être produit par le soleil et être ensuite détecté comme un neutrino muonique.

Et un tel changement implique que le neutrino a une masse. La physique nous dit qu’ils ne pourraient pas changer de saveur s’ils n’avaient pas de masse. Maintenant, les efforts de recherche se concentrent sur l’élucidation de ce qu’est la masse.

Dans une étude publiée dans la prestigieuse revue Nature en février 2022, des chercheurs ont révélé que la masse d’un neutrino était incroyablement petite (mais bien là). Les physiciens ont pu montrer directement, à l’aide d’un détecteur de neutrinos en Allemagne, que la masse maximale d’un neutrino est d’environ huit dixièmes d’électron-volt (eV). C’est une masse incroyablement minuscule, plus d’un million de fois “plus légère” qu’un électron.

Le détecteur en forme de tonneau du KATRIN roule entre des maisons près de Leopoldshafen, dans le sud de l'Allemagne

Voici à quoi ressemble un chasseur de fantômes : le spectromètre principal de l’expérience Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN) est manoeuvré sur une route dans le sud de l’Allemagne.

Michael Latz/Getty

Attendez! Un détecteur de neutrinos ? Mais ne sont-ils pas… des particules fantômes ? Comment détecte-t-on les neutrinos ?

Comme le note James, “les fichues choses passent la plupart du temps directement à travers le détecteur que vous construisez!”

Mais il existe plusieurs façons de piéger un fantôme.

L’un des ingrédients clés dont vous avez besoin est l’espace. Espace physique, souterrain profond. Pour de grands résultats, les scientifiques ont construit leurs détecteurs de neutrinos sous des mètres de glace en Antarctique et, bientôt, au fond de l’océan. Cela permet de garder les données exemptes de toute interférence de choses comme les rayons cosmiques, qui bombarderaient les détecteurs sensibles à la surface. Le détecteur en Antarctique, connu sous le nom d’IceCube, est enterré à environ 8 000 pieds vers le bas.

“Pièger” une particule fantôme n’est peut-être pas la meilleure terminologie pour ce que font ces détecteurs. IceCube, par exemple, ne retient aucun neutrinos prisonnier. Les particules soufflent principalement directement à travers le détecteur. Mais en chemin, certaines interagissent très (très !) rarement avec la glace antarctique et produisent une gerbe de particules secondaires émettant une sorte de lumière bleue connue sous le nom de rayonnement Cherenkov. Une gamme de modules sphériques sensibles à la lumière, disposés verticalement comme des perles sur une ficelle, captent la lumière émise par ces particules. Un détecteur similaire existe au Japon : Super-Kamiokande. Celui-ci utilise un réservoir d’eau de 55 000 tonnes au lieu de glace et est enterré sous le mont Ikeno.

Les deux sont capables de détecter la direction d’où vient le neutrino et sa saveur. Et ainsi, les physiciens peuvent voir des signes que la particule fantôme était là, mais pas la particule fantôme elle-même. C’est un peu comme un poltergeist – vous pouvez voir la façon dont il interagit avec les chaises (en vous les jetant) et les lumières (en les allumant et en les éteignant de manière menaçante), mais vous ne pouvez pas voir le fantôme lui-même. sinistre!

Le soleil est connu pour produire un type spécifique de neutrino

NASA/SDO/Spaceweather.com

génial. Alors, que pouvons-nous apprendre des neutrinos ?

Les neutrinos sont une particule fondamentale de notre univers, ce qui signifie qu’ils sous-tendent, d’une certaine manière, tout ce qui existe. En savoir plus sur les neutrinos aidera à percer certains des mystères de la physique.

“Les physiciens des particules étudient les neutrinos afin de rechercher des indices pour la physique au-delà du modèle standard”, explique Thrane. Il note que les physiciens veulent comprendre si les neutrinos violent certaines des lois fondamentales du modèle standard. “Cela pourrait faire la lumière sur la raison pour laquelle il y a plus de matière que d’antimatière dans l’Univers”, a déclaré Thrane, notant que le problème a été qualifié d’un des grands mystères de la physique.

Nous savons également que des objets et des événements cosmiques extrêmes peuvent les produire. Par exemple, les étoiles qui explosent, ou supernovas, sont connues pour créer des neutrinos et les propulser à travers l’univers. Il en va de même pour les trous noirs supermassifs qui grignotent du gaz, de la poussière et des étoiles.

“La détection des neutrinos nous renseigne sur ce qui se passe dans ces objets”, explique James.

Parce qu’ils interagissent à peine avec la matière environnante, nous pourrions utiliser les neutrinos pour voir ces types d’objets et les comprendre dans des régions de l’univers que nous ne pouvons pas étudier avec d’autres longueurs d’onde électromagnétiques (comme la lumière optique, les UV et la radio). Par exemple, les scientifiques pourraient scruter le cœur de la Voie lactée, ce qui est difficile à observer dans d’autres longueurs d’onde électromagnétiques car notre vue est perturbée par le gaz et la poussière.

Une détection et un traçage fiables pourraient stimuler une révolution de l’astronomie semblable à celle que nous voyons actuellement avec les ondes gravitationnelles. Essentiellement, les neutrinos peuvent nous donner un tout nouvel œil sur le cosmos, complétant notre ensemble existant de télescopes et de détecteurs pour révéler ce qui se passe dans le vide.

Et puis il y a les neutrinos “stériles” qui…

Oh mon Dieu. Que sont les neutrinos stériles ?

J’aurais probablement dû les garder secrets, mais vu que vous êtes ici, les neutrinos stériles sont une toute autre classe de neutrinos. Ils sont entièrement théoriques, mais les scientifiques pensent qu’ils existent probablement en raison d’une caractéristique de la physique connue sous le nom de chiralité. Essentiellement, les neutrinos normaux dont nous avons parlé sont ce que certains appellent “gauchers”. Ainsi, certains physiciens pensent qu’il peut y avoir des neutrinos “droitiers” — des neutrinos stériles.

Ils leur donnent ce nom car ils n’interagissent pas avec d’autres particules via la force faible, comme les neutrinos normaux. Ils n’interagissent que par gravité. Ces types de neutrinos sont considérés comme des candidats pour la matière noire, la matière qui représente plus d’un quart de l’univers mais que nous n’avons jamais vue.

Cela signifie que les neutrinos pourraient également aider à résoudre un autre casse-tête épineux en physique : qu’est-ce, exactement, que la matière noire ? Il existe de nombreux candidats à la matière noire théorisés par les physiciens, et il reste encore beaucoup à apprendre – cela n’a peut-être aucun rapport avec les neutrinos !

Une image graphique des quatre types de neutrinos : neutrino électronique, neutrino muonique, neutrino tau, neutrino stérile

Les trois saveurs du neutrino et le neutrino “stérile” théorique.

Collaboration IceCube

Cool. Y a-t-il autre chose que je dois savoir sur les neutrinos ?

Comme Deborah Conway l’a chanté un jour, “Ce n’est que le début, mais je suis déjà partie et j’ai perdu la tête.”

Nous n’avons pas abordé certaines des théories les plus époustouflantes sur les neutrinos, comme la double désintégration bêta sans neutrinos et l’idée du neutrino en tant que particule de Majorana.

Plusieurs nouvelles expériences sur les neutrinos ont été proposées, dont le Giant Radio Array for Neutrino Detection, ou GRAND, qui verrait jusqu’à 200 000 récepteurs placés. La surface totale du réseau est conçue pour être à peu près de la même taille que la Grande-Bretagne. Les 10 000 premières antennes devraient être placées sur le plateau tibétain, près de la ville de Dunhuang, dans les prochaines années.

Bien que nous n’ayons pu détecter et tracer que quelques neutrinos jusqu’à présent, la prochaine décennie devrait voir l’astronomie des neutrinos décoller vraiment. L’essentiel est que comprendre les neutrinos, leurs saveurs et leurs masses, fournira une fenêtre sur la nature fondamentale de notre univers.

Et c’est toujours cool de chasser les fantômes.

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