Pour la quatrième fois, le prix Nobel de physique récompense la recherche sur les neutrinos. Grâce à deux détecteurs géants, l'un au Japon et l'autre au Canada, nous savons maintenant que les particules les plus insaisissables de l'univers ont une masse.
Pour la quatrième fois déjà, le prix Nobel de physique récompense la recherche sur les neutrinos. Grâce à deux détecteurs géants, l'un au Japon et l'autre au Canada, nous savons maintenant que les particules les plus insaisissables de l'univers ont une masse.
Les neutrinos sont un fil conducteur dans l'histoire de la physique des particules élémentaires. Née comme particule théorique en 1930 (le physicien autrichien Wolfgang Pauli l'a sortie de son chapeau pour prouver sa théorie de la désintégration radioactive), elle n'a été observée qu'en 1956 dans une expérience du physicien américain Frederick Reines. Quarante ans plus tard, en 1995, il a reçu le prix Nobel pour cela.
Dans les années 1950, les théoriciens ont commencé à comprendre qu'en plus du neutrino électronique, que Pauli avait prédit et que Reines avait réussi à trouver, il devait y avoir deux autres espèces de neutrinos, ou "saveurs", le neutrino du muon et le neutrino du tau. Le muon et la particule tau, malgré leur masse beaucoup plus importante, sont équivalents à l'électron. Le neutrino muonique a été découvert en 1962 par trois scientifiques américains, qui ont reçu le prix Nobel en 1988.
Dans les années 1960, le physicien américain Raymond Davis Jr. remplissant un réservoir géant de nettoyant chloré dans une mine d'or abandonnée dans l'État du Dakota du Sud. Quelques années plus tard, il a pu démontrer que son réservoir avait capté des neutrinos du soleil. Davis a également reçu le prix Nobel en 2002, avec deux autres physiciens.
Et maintenant, en 2015, la plus haute distinction scientifique est décernée à la recherche sur les neutrinos pour la quatrième fois. Snoodaards a déjà noté que les neutrinos ont remporté deux fois plus de prix Nobel que les femmes. Le Japonais Takaaki Kajita et le Canadien Arthur B. McDonald l'obtiennent pour leur découverte que les neutrinos sont un peu moins fantomatiques qu'ils n'en ont l'air :ils ont une masse.
Comportement effrayant
Les neutrinos ont gagné leur réputation. Parce qu'ils interagissent rarement avec la matière, ils sont très difficiles à détecter. Chaque seconde, la Terre et nous-mêmes sommes criblés de milliards de neutrinos, dont un seul entre très occasionnellement en collision avec un proton ou un neutron. La plupart des neutrinos qui nous frappent (ou pas du tout) viennent du soleil. Pour avoir une bonne idée du caractère insaisissable des particules, un mur de plomb d'une épaisseur d'une année-lumière ne pourrait capter que la moitié de tous les neutrinos qui le percutaient. Du comportement effrayant parlé.
L'imposant Observatoire de neutrinos de Sudbury. (crédit SNO)
Depuis les années 1960 (Raymond Davis fut le premier) pour capter les particules fantomatiques, les physiciens ont construit de grands détecteurs souterrains, généralement équipés d'énormes bacs de liquide. Sur une période de plusieurs années, ils espéraient attraper quelques neutrinos. Le détecteur Super-Kamiokande au Japon est l'un des plus grands au monde. L'Observatoire de neutrinos de Sudbury (SNO) au Canada, installé dans une ancienne mine en Ontario, n'est pas une mince affaire non plus. Les deux détecteurs existent depuis des décennies. Plus récent est l'observatoire de neutrinos IceCube en Antarctique, qui utilise la glace antarctique épaisse de plusieurs kilomètres pour rechercher des neutrinos.
Problème des neutrinos solaires
Dès les années 1960, cependant, il est devenu clair que quelque chose n'allait pas avec les trois saveurs de neutrinos telles que capturées dans le modèle standard. Par exemple, Raymond Davis a pu attraper beaucoup moins de neutrinos solaires - ils sont tous du goût "électron-neutrino" - que ne le prévoyait la théorie. Le « déficit de neutrinos » a été confirmé à maintes reprises. La physique a lutté pendant des années avec un vrai problème de neutrinos solaires.
L'une des raisons pour lesquelles Davis a vu beaucoup moins de neutrinos solaires dans son réservoir de chlore était qu'il ne pouvait tout simplement pas détecter les autres saveurs (muon et tau). Les théoriciens avaient alors déjà mis au point un mécanisme pour étayer cette explication et expliquer le déficit en neutrinos :l'oscillation des neutrinos. En 1957, Bruno Pontecorvo, un obscur Italien qui avait travaillé pour Enrico Fermi et qui s'était enfui en Union soviétique en 1950 après avoir été dénoncé comme espion soviétique, en avait eu l'idée. Selon Pontecorvo, les trois saveurs de neutrinos ont pu échanger des identités au cours de leur voyage de huit minutes du soleil à la Terre. Cela expliquerait pourquoi Davis a trouvé si peu de neutrinos électroniques :un grand nombre s'étaient déguisés en neutrinos muoniques et tau.
Confirmation expérimentale
Le groupe de recherche de Takaaki Kajita a utilisé le détecteur Super-Kamiokande pour rechercher les neutrinos des rayons cosmiques pendant des années. En 1998, il publie des résultats qui ne laissent aucun doute :les neutrinos capturés ont en effet changé de goût en cours de route. Le groupe d'Arthur McDonald au Laboratoire de l'Observatoire de Sudbury a présenté des résultats similaires en 2001, mais pour les neutrinos solaires. Ils ont aussi échangé des identités que c'était un délice.
Les neutrinos pourraient faire partie de la mystérieuse matière noire de l'univers
Messe !
Le fait que des oscillations de neutrinos se produisent et que les neutrinos changent donc de goût a une implication importante. Après tout, cela signifie que le neutrino a une masse, bien qu'incroyablement petite. Pendant longtemps, les physiciens ont pensé que les neutrinos, comme les photons, étaient sans masse. Le fait que les neutrinos aient une masse ouvre de nouvelles perspectives en physique. Par exemple, parce qu'il y en a tellement dans l'univers, les neutrinos pourraient faire partie de la mystérieuse matière noire de l'univers. Cela peut également ouvrir la voie à une nouvelle physique au-delà du modèle standard. "Le modèle standard, qui a été couronné par la découverte du boson de Higgs il y a trois ans, n'a pas besoin de la masse des neutrinos", explique Dirk Ryckbosch, physicien des particules et expert en neutrinos à l'université de Gand. "Le mécanisme de Higgs n'est peut-être même pas responsable de cette masse, précisément parce qu'elle est si petite. On a affaire ici à une masse plus d'un million de fois plus légère que celle de l'électron. Expliquer la masse des particules normales telles que les électrons et les protons ainsi que celle des neutrinos avec le même mécanisme n'est pas évidente. C'est en fait impossible. Il doit donc y avoir un autre mécanisme, que nous ne connaissons pas encore.'
Que pense Ryckbosch des deux lauréats, au fait ? Méritent-ils leur récompense ? Ou devraient-ils mieux le partager avec leurs équipes de recherche ? "Je ne connais pas personnellement Kajita et McDonald, mais bien sûr je suis leur travail. Tous deux ont dirigé leurs équipes d'enquête à des moments cruciaux. Ils ont veillé à ce que les énormes détecteurs soient effectivement construits (et financés) et puissent ainsi mener des expériences pour les années à venir."
Ryckbosch est également impliqué dans un certain nombre d'expériences sur les neutrinos, dont celle de l'observatoire de neutrinos IceCube au pôle Sud. «Nous y voyons aussi régulièrement des oscillations de neutrinos. Mais le travail proprement dit, aujourd'hui récompensé par le prix Nobel, a bien entendu déjà été fait il y a vingt ans.» Il y a quelques mois, IceCube enregistrait une première :des neutrinos cosmiques étaient détectés pour la première fois dans les glaces de l'Antarctique. Ce sont des neutrinos de haute énergie provenant de supernovas, de trous noirs et d'autres événements explosifs dans l'univers.
En fait, la recherche sur les neutrinos se poursuivra sans relâche au cours de ce siècle. Maintenant que l'existence d'oscillations de neutrinos a été prouvée, les physiciens sont occupés à rechercher une quatrième saveur de neutrino encore plus hypothétique :le neutrino stérile. Cette quête se déroule au Centre d'Etude de l'Energie Nucléaire (SCK) de Mol, où un détecteur est en cours de construction dans le réacteur de recherche BR2 pour détecter le neutrino stérile. Des physiciens belges, français et britanniques sont impliqués dans l'expérience. Dirk Ryckbosch y collabore également. «Nous voulons utiliser notre détecteur pour étudier les oscillations des neutrinos dans une gamme d'énergie et de distance différente de celle du Super-Kamiokande et du SNO. C'est précisément là que nous espérons voir l'oscillation d'un neutrino stérile.» Si ce neutrino stérile est trouvé, le cinquième prix Nobel neutrino pourrait bien avoir une teinte belge.
Les lauréats du prix Nobel Kajita et McDonald. (crédit Takaaki Kajita et Université Queen's)
