Neutrinos : les “caméléons fantomatiques” deviennent encore plus mystérieux

Les neutrinos ont longtemps été l’une des particules subatomiques connues les plus déroutantes et les plus mystérieuses – mais ils sont devenus plus déroutants, après que deux groupes de scientifiques ont annoncé des résultats contradictoires.

Les neutrinos sont comme des caméléons fantomatiques

On dit souvent que les neutrinos sont les fantômes du monde de la physique parce qu’ils interagissent si peu avec la matière, traversant facilement des planètes entières. Mais ce sont aussi des caméléons quantiques, qui changent d’identité, essentiellement comme si une Chevrolet pouvait se transformer en Ford, puis en Chrysler, avant de redevenir la voiture d’origine. Les trois types distincts de neutrinos sont appelés le neutrino de l’électron, le neutrino du muon et le neutrino du tau.

Cette commutation subatomique, appelée oscillation des neutrinos, est unique dans la nature. Et il a été observé dans de nombreux contextes différents, y compris dans les neutrinos générés par les réacteurs nucléaires, par les faisceaux de particules à haute énergie et lorsque les rayons cosmiques de l’espace frappent l’atmosphère terrestre.

Un neutrino dans l’esprit

La principale théorie de la physique subatomique, connue sous le nom de modèle standard, tient compte à la fois de l’oscillation des neutrinos et définit une série de paramètres universels qui régissent la vitesse à laquelle les différents types de neutrinos peuvent se transformer les uns en les autres. Les expériences neutrino peuvent alors déterminer la valeur réelle des paramètres. En supposant que la théorie est correcte et que les expériences sont exactes, toutes les expériences doivent déterminer les mêmes valeurs pour ces paramètres. En effet, c’est ainsi que cela a fonctionné pour de nombreuses expériences.

Cependant, dans les années 1990, le Liquid Scintillator Neutrino Experiment (LSND), situé au Laboratoire national de Los Alamos au Nouveau-Mexique, a trouvé une mouche dans la pommade. Le LSND a utilisé un faisceau de neutrinos muoniques pour rechercher les cas où ils s’étaient transformés en neutrinos électroniques. Comme prévu, les scientifiques ont observé des neutrinos électroniques, mais à un rythme difficile à concilier avec la théorie établie.

Fait intéressant, ils pourrait réconcilier leur mesure avec toutes les autres mesures s’il existait un quatrième type (encore non découvert) de neutrinos. Ce type de neutrino serait différent de tous les autres neutrinos. Les neutrinos connus interagissent via la force nucléaire faible, contrairement au quatrième type. En raison de cette non-interaction, les scientifiques ont pris l’habitude d’appeler ce quatrième type hypothétique de neutrinos “neutrinos stériles”.

L’existence ou la non-existence de neutrinos stériles a fait l’objet de débats acharnés parmi les physiciens des particules, la plupart des expériences semblant exclure l’existence d’un quatrième neutrino, tandis que quelques-unes ont soutenu la conjecture. Mais il y avait toujours l’éléphant LSND dans la pièce.

Confusion à la frontière de la recherche sur les neutrinos

Alors, quelle est la réponse ? Il y a deux possibilités. Le premier, et le moins excitant, est que le résultat du LSND était tout simplement faux. Cela n’implique aucune ineptie de la part des expérimentateurs. Parfois, des choses rares se produisent, et parfois des choses sont négligées ou modélisées de manière incorrecte. Dans ce qui pourrait bien être un euphémisme épique, la science à la frontière est difficile. D’autre part, si le désaccord entre les prédictions et les différentes expériences survient parce que la théorie actuelle est incomplète, alors les scientifiques devront développer une nouvelle théorie. Évidemment, c’est plus excitant, et les neutrinos stériles ne sont que la possibilité la plus populaire.

Pour déterminer si le résultat LSND est le premier signe avant-coureur d’une nouvelle physique, ou juste un coup de chance malheureux, il est nécessaire de reproduire l’expérience pour voir si la deuxième expérience confirme LSND ou non. À cette fin, l’expérience MiniBooNE au Fermilab dans l’Illinois a été conçue et réalisée. Comme LSND, MiniBooNE a également utilisé un faisceau de neutrinos muoniques, à la recherche d’un excès inexpliqué de neutrinos électroniques. De plus, MiniBooNE était une expérience plus récente et plus moderne, avec des capacités améliorées. Si l’observation LSND était correcte, MiniBooNE l’aurait confirmé. Cependant, ce n’était pas le cas. MiniBooNE n’a pas vu le même excès que LSND.

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Normalement, ce serait la fin de l’histoire, la mesure LSND étant inscrite comme une mesure préliminaire qui s’est avérée fausse. Cette conclusion réconfortante signifierait que le cadre théorique actuel était suffisant et que les scientifiques pourraient se contenter d’avoir compris les interactions des neutrinos. Mais l’histoire de la recherche sur les neutrinos est pleine de surprises et est rarement sans mystère ou deux.

Alors que MiniBooNE a exclu l’observation LSND, la nouvelle expérience a découvert une anomalie différente. En raison des capacités améliorées de l’expérience MiniBooNE, ils pourraient rechercher les neutrinos de plus de manières que le LSND. Lorsque MiniBooNE a recherché des neutrinos électroniques dans une gamme d’énergie non explorée par le LSND, ils ont trouvé plus de neutrinos électroniques que la théorie acceptée ne pouvait l’expliquer. Et, comme l’anomalie LSND avant elle, la nouvelle anomalie MiniBooNE pourrait s’expliquer par l’existence d’un neutrino stérile (ou peut-être plus d’un). Bien qu’il soit différent du neutrino stérile proposé pour expliquer l’anomalie LSND, il était toujours stérile.

Étant donné que les anomalies sont souvent le premier signe de découvertes, les chercheurs ne pouvaient pas simplement abandonner. Il était impératif qu’un troisième expérience soit faite, espérons-le, qui pourrait déterminer définitivement si la théorie actuelle, avec ses trois types connus de neutrinos, est suffisante ou non.

Ainsi, l’expérience MicroBooNE a été créée. Cette expérience utilise une technologie de détection beaucoup plus sophistiquée et devrait fournir le mot définitif sur l’anomalie MiniBooNE. De plus, il restait une faille dans la comparaison LSND/MiniBooNE : ils utilisaient différents faisceaux de neutrinos. Peut-être y avait-il des différences subtiles dans les faisceaux qui n’avaient pas été correctement prises en compte. Mais dans les comparaisons entre les mesures MicroBooNE et MiniBooNE, il n’y aurait rien de tout cela. Les deux expériences ont utilisé exactement la même ligne de faisceau, simplifiant les comparaisons entre les deux expériences. MicroBooNE devrait être un contrôle définitif sur MiniBooNE.

Un mystère non résolu

Comment tout cela se termine-t-il ? MicroBooNE ne détecte pas le même excès détecté par MiniBooNE. Cependant, l’article de MicroBooNE ne conclut pas que MiniBooNE avait tort ; il dit simplement que l’anomalie MiniBooNE reste inexpliquée. Ce n’est pas surprenant, étant donné que les deux expériences sont réalisées par bon nombre des mêmes scientifiques.

À ce jour, la situation reste non résolue – une situation insatisfaisante, bien sûr, mais c’est souvent le cas dans la recherche scientifique de pointe, où plus le mystère est déroutant, plus il est intéressant pour les chercheurs. Et les neutrinos sont toujours déroutants.

Une possibilité est que l’anomalie MiniBooNE ne soit pas causée par des neutrinos stériles, mais par d’autres formes possibles de nouvelle physique, y compris la matière noire. Seules des mesures meilleures et plus précises, toutes deux en cours au Fermilab, permettront de percer le mystère.

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