Physique

Les neutrinos  se livrent
(un peu…)

Henri DUPUIS • dupuis.h@belgacom.net 

CEA/irfu, © Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo

Aujourd’hui en phase de démantèlement, l’expérience Double Chooz vient de publier des résultats remarquables quant à la caractérisation de la troisième oscillation des neutrinos. Pendant ce temps, au Japon, l’expérience T2K a révélé de précieux indices d’une différence de comportement entre neutrinos et antineutrinos. Va-t-on bientôt comprendre pourquoi nous existons ?

Vue de l’intérieur du détecteur proche de Double Chooz lors de sa  construction (aujourd’hui  en cours de démantèlement)

 
 

Entendons-nous: le sens de cette question n’est pas philosophique mais matériel. À la naissance de l’univers en effet, matière et antimatière semblent avoir existé en quantités égales. Interagissant entre elles, elles s’annihilent. L’univers aurait donc dû être vide, sans matière, contenant uniquement de l’énergie. Le fait que nous existions, et avec nous toute la matière visible de l’univers, est donc une anomalie qui continue d’intriguer les physiciens: pourquoi la matière l’a-t-elle emporté sur l’antimatière ? Une réponse est sans doute à trouver dans un comportement asymétrique des particules de matière et d’antimatière. Et notamment dans le comportement des neutrinos. Car des défauts de symétrie, les scientifiques en ont déjà constatés, notamment parmi les quarks. Mais cela reste très insuffisant pour expliquer la disparition de l’antimatière. La piste la plus prometteuse restait donc celle des neutrinos.

Particules élémentaires très légères, horriblement difficiles à détecter, les neutrinos sont de 3 types (saveurs): électroniques, muoniques et tauiques. On a observé depuis plus de 20 ans (c’était déjà grâce au détecteur japonais Kamiokande) qu’ils avaient la propriété de se transformer au cours de leur trajet: ils changent de saveur passant d’un mu à un tau puis à un électronique et ainsi de suite. Un comportement cyclique appelé oscillation. Et il en va de même pour les antineutrinos. Enfin, presque, et c’est là tout le problème (ou toute la chance des physiciens). Car la collaboration T2K (Tokai to Kamioka du fait que les neutrinos produits par un accélérateur situé à Tokai sont étudiés dans le gigantesque détecteur de Kamioka, situé à 300 km) vient précisément de déceler une asymétrie importante avec certes une signifiance statistique qui n’est pas encore suffisante mais cela n’a pas empêché la revue Nature de consacrer sa couverture du 16 avril dernier à cet exploit sous le titre évocateur de The mirror crack’d (1).

Les résultats publiés aujourd’hui n’ont pas été obtenus lors d’une récente et unique expérience. Mais bien au bout de l’analyse de 10 années de données. Dix années au cours desquelles le détecteur aura détecté…. 90 neutrinos et 15 antineutrinos. D’où la remarque sur la signifiance statistique. Cela n’empêche pas les chercheurs d’être certains à 95% de leurs résultats, qu’on peut donc considérer comme une bonne indication. Pour parler d’un fait, d’une découverte, il faudrait atteindre une confiance de 99,999%. Ce sera sans doute pour la fin de la décennie. 

Le cœur du détecteur Super-Kamiokande
au Japon 

Les chercheurs ont donc produit des neutrinos et des antineutrinos de saveur muonique dans un accélérateur puis ont détecté une petite fraction de ceux-ci dans le détecteur Super-Kamiokande (50 000 tonnes d’eau dans une ancienne mine à 1 000 m de profondeur). Ils ont ainsi repéré ceux des neutrinos (antineutrinos) qui ont oscillé, c’est-à-dire ont pris la saveur électronique. Résultat ? Les neutrinos oscillent plus fréquemment que les antineutrinos. Il semblerait qu’il y aurait même une asymétrie maximale entre les comportements des deux particules.

Et le θ13 ?

Voici bientôt 10 ans (voir Athena n° 269), nous relations le démarrage de l’expérience Double Chooz, appelée ainsi car elle se déroulait à l’aide de 2 détecteurs de neutrinos placés dans les environs de la centrale nucléaire de Chooz, dans les Ardennes françaises, à 2 pas de la frontière. Expérience qui avait pour but de mieux comprendre l’oscillation des neutrinos. Si la probabilité des oscillations dépend à la fois de la distance parcourue (donc du temps écoulé depuis l’émission), du carré des masses et de l’énergie avec laquelle le neutrino a été émis, la fréquence des oscillations dépend de