Il a détrôné le boson de Higgs « NEUTRINO » :

par Samädhi , Thursday 23 August 2012, 01:01 (il y a 4495 jours)

(Extrait du de la revue Science & Vie de juin 2012)

Il a détrôné le boson de Higgs
NEUTRINO

La particule qui va faire exploser toute la physique

En 1930, Wolfgang Paul invente le NEUTRINO pour sauver le principe de conservation de l’énergie.

En 1957 Chien-Shiung Wu observe que les Neutrinos n’existent que dans un seul état de rotation interne, à l’inverse de toutes les autres particules. Leur masse doit être nulle.
En 1969, Raymond Davis constate que 30% de Neutrinos manquent dans le flux en provenance du soleil.

En 1998, Les physiciens de l’observatoire Super-Kamiokande (Japon) démontrent l’oscillation des Neutrinos, ce qui referme la controverse des Neutrinos solaires mais implique que ces derniers ont une masse.

En 2011, Les physiciens de L’expérience Opera mesurent des Neutrinos plus rapides que la lumière, avant de reconnaître, 6 mois plus tard, qu’il s’agissait d’une erreur expérimentale.

Avant d’essayer de comprendre plus en profondeur le NEUTRINO, allons voir de quoi il s’agit réellement lorsque nous parlons du boson de Higgs :

Dans les accélérateurs de particules des traces de collisions entre protons mesurés au LHC du CERN, les physiciens confirment l’existence d’une nouvelle particule élémentaire, qui pourrait bien être le fameux boson de Higgs pourchassé depuis plus de 20 ans. Cette découverte nous amène à comprendre que dans l’univers que nous observons, se cache une ou plusieurs dimensions dont nous sommes l’énergie expressive de ce qui s’est transformée en matière (énergie brute), et dont l’origine serait ce que nous appelons le Big-Bang.

« J’ai fait une chose horrible. J’ai postulé une particule qu’on ne peut pas détecter. » Tels sont les mots de Wolfgang Pauli, alors que dans un geste qu’il considère désespéré, il vient de théoriser l’existence du neutrino, une mystérieuse particule censée n’interagir avec aucune des autres particules matérielles connues à l’époque et susceptible de sauver le sacro-saint principe de conservation de l’énergie. Une inspiration téméraire, mais tout à fait juste, puisque sa particule fantôme sera finalement mise en évidence vingt-cinq ans plus tard. Et elle touche au sublime quand on réalise que c’est justement parce que les physiciens ont osé imaginer cette particule a priori indétectable qu’ils ont pu découvrir l’existence de la troisième interaction fondamentale du monde des particules – la force nucléaire faible, celle-là même qui permit de repérer le neutrino. La belle histoire peut-elle se répéter ? C’est en espérant être inspirés par la même muse que les physiciens d’aujourd’hui imaginent l’existence d’une nouvelle particule a priori tout aussi indétectable : le neutrino stérile.

À l’instar de leur illustre prédécesseur, ces théoriciens sont en effet en train de se passionner pour une particule qui, par principe, n’interagit avec aucun des autres corps matériels connus – en prenant cette fois-ci en compte les trois interactions fondamentales de la physique des particules, et non deux comme Pauli. Le seul lien qui la rattache à notre réalité est sa masse non nulle, qui la rend sensible à la gravitation. Sauf que l’intensité de la gravitation est si faible à l’échelle des particules que le neutrino stérile, s’il existe, peut traverser toutes les matières avec l’assurance de n’y laisser aucune trace.

UN INVISIBLE SAUVEUR

Invoquer l’existence d’un tel fantôme apparaît donc bien à nouveau comme « une chose horrible » pour des physiciens censés pratiquer une science expérimentale. En mettant en scène un coupable a priori impossible à confondre, il devient en effet possible de l’accuser de tous les maux… ou de tous les prodiges. Ce sont naturellement les spécialites des particules élémentaires qui, les premiers, ont fait appel à cet invisible sauveur. La première fois qu’ils l’évoquèrent, ce fut pour affronter le délicat problème de la masse des neutrinos. Car le modèle standard impose aux partucules inventés par Pauli une masse nulle, comme dans le cas du photon, la particule de lumière. Les règles de fonctionnement de cette théorie indiquent en effet que la masse d’une particule élémentaire de matière nécessite l’existence de particules dotées de deux états d’hélicité différents (des caractéristiques internes qui peuvent s’apparenter à une sorte de rotation ; un des états doit être orienté « à gauche » et l’autre « à droite »). Or, depuis le milieu des anéées 1950 toutes les expériences ont montré que les neutrinos n’existent que dans l’état d’hélicité gauche. Par conséquent, l’expression mathématique qui fournirait la masse du neutrino est incomplète : cette masse ne peut exister. Elle doit donc être nulle. Sauf qu’on sait depuis quinze ans qu’elle ne l’est pas : les neutrinos standard ont bien une masse, pas bien grande certes, mais pas nulle (le plus lourd des trois neutrinos standard est au moins dix millions de fois plus léger que la plus légère des autres particules, l’électron). Mais comment conférer une masse aux neutrinos, alors même que le modèle standard l’interdit ?
Dès les années 1970, les théoriciens avaient imaginé un neutrino doté d’un état d’hélicité droit. De quoi construire un terme de masse comprenant tous les bons ingrédients. Or, puisqu’un tel neutrino droit n’a jamais été observé, c’est qu’il est forcément insensible aux trois interactions fondamentales, force faible incluse. Autrement dit, ce nouveau neutrino, s’il existe, doit être stérile. Notre fantôme prend donc ici pour la première fois ses habits de sauveur.

Mais tout en comblant une faille dans les tables de la matière, il en révèle en même temps cruellement les limites. La masse d’un neutrino standard étant minuscule, les théories sont en effets obligés d’introduire une neutrino stérile titanesque, avec une énergie de masse de l’ordre de 109 téraélectronvolts (TeV). Or, une telle énergie dépasse largement les possibilités de desxription du modèle standard, dont les équations deviennent folles dès lors qu’elles tentent de décrire des phénomènes élémentaires impliquant une énergie supérieure à quelques TeV. Beaucoup troop gros pour la théorie actuelle, les neutrinos stériles susceptible de résoudre le problème de la masse de leur congénères s’ébattent donc dans une nouvelle physique qui doit se faire jour à leur échelle. Ainsi, comme le résume asma Abada, du Laboratoire de physique théorique, à Orsay, « si on veut imaginer des scénarios pour expliquer la masse des neutrinos dans le cadre du modèle standard, on est obligé d’y introduire des particules qui, d’une certaines manière, n’ont rien à y faire ». Ces neutrinos stériles sont décidément intenables.

ÉLUCIDER DES ÉNIGNES COSMIQUES !

Ces corpuscules diaboliques sont même prêts à des chambardements d’une tout autre échelle. Certains y voient la réponse à une des plus colossales énigmes scientifiques, de dimension non plus microscopique, mais cosmique : celle de la masse manquante de l’univers. Les neutrinos stériles pourraient constituer cette mystérieuse matière noire qui composerait 85% du contenu physique de notre monde, restée jusqu’ici totalement invisible. D’autres imaginent que les neutrinos stériles seraient responsables de la non moins mystérieuse disparition de l’antimatière de notre Univers, alors que ces particules symétriques de celles qui nous constituent étaient censées être aussi nombreuses à l’origine.

En presque cinquante ans de spéculation, c’est finalement toute une variété de neutrinos que les physiciens ont sortis de leur chapeau, en fonction de la raison invoquée et du modèle théorique endossé. Ainsi, avec une masse d’environ 1 eV, le neutrino stérile expliquant la disparition des neutrinos des réacteurs nucléaires est 100 millions de milliards de milliards de fois plus lourd que son compagnon susceptible de conférer une masse aux neutrinos… Et les spécimens évoqués pour des problèmes d’ordre cosmique ou des considérations d’ordre théorique s’accommodent de toute une série de masses intermédiaires. Mais qu’importe cette diversité, car la balle est dans le camp des expériences. Or, le nouveau chapitre de la physique des particules qu’il faudra bien commencer à écrire pourra tout à fait, au besoin, intégrer ces nouveaux venus, aussi variés soient-ils. Mieux : comme l’indique Goran Senjanovic, au Centre international Abdus-Salam pour la physique théorique, à Trieste, « la mise en évidence d’un neutrino stérile donnerait du crédit au concept en général ».

Un concept qui pourrait donc résoudre bien des problèmes et être la meilleure porte d’entrée vers cette nouvelle physique. Un concept donc potentiellement à la fois salvateur et révolutionnaire. Bref, un concept tout saut stérile.

Les neutrinos stériles pourraient constituer la matière noire…
Invisible et massives : les qualités que l’on prête au neutrino stérile en font un parfait candidat pour être la matière noire, cette mystérieuse composante de la matière censée compter pour 85% du contenu de l’univers… mais dont la nature reste totalement inconnue. D’autant que, aussi insaisissable soient-ils, les trois neutrinos standard connus sont les particules les plus abondantes de l’univers. Proposée dès 1994 par Scott Dodelson, au Fermilab, à Chicago, et Lawrence Widrow, à la Queen’s University, à Kingston, l’idée que le neutrino stérile puisse être la matière noire qui a été développée ces dernières années par Takehiko Asaka et Mikhail Ahaposhnikov, à l’École polytechnique fédérale de Lausanne. « Nos calculs et les contraintes d’observations montrent qu’un neutrino stérile dont la masse serait comprise entre 2 et 50 keV peut être un candidat pour la matière noire », précise ce dernier. Nous serions alors, selon cette théorie, baignés dans un océan de neutrinos stériles – chaque mètre cube d’Univers en contiendrait plusieurs centaines de milliers ! Les autres candidats à la matière noire n’ont d’ailleurs pas le vent en poupe : jusqu’à présent, les expériences de détection directe de particules pressenties pour donner du corps à la masse manquante, appelées « wimps », ont fait chou blanc. De même, le LHC, après deux années de fonctionnement, reste bredouille dans la mise en évidence de particules supersymétriques, elles aussi envisagées comme de sérieux candidats. « Cela conforte l’idée de la matière noire comme neutrinos stériles », estime Sacha Davidson, à l’institut de physique nucléaire, à Lyon. Pour s’en assurer, la théorie de Shaposhnikov offre une possibilité puisque ces neutrinos stériles auraient la faculté de se désintégrer, ce processus engendrant notamment des photons. Comme il le détaille, « la réaction serait alors peut-être observable dans les directions du cosmos où la matière noire est concentrée. Comme dans des galaxies naines qui, proportionnellement, doivent contenir plus de matière noire que leurs congénères plus grandes, ou bien les amas de galaxies ». La plus furtive de toutes les particules à l’échelle de l’infiniment petit serait alors responsable de la structuration de l’Univers entier. Renversant…

…Et justifier l’absence d’antimatière dans l’univers
Comment expliquer l’absence d’antimatière dans l’univers, alors que selon les équations de la microphysique, matière et antimatière ont dû être engendrées dans les mêmes proportions au moment du big-bang ? Pourquoi, au moment où les particules primordiales de matières et d’antimatières se sont annihilées deux à deux, un tout petit excès de matière a permis à cette dernière de l’emporter sur sa jumelle ? Pour Masataka Fukugita et Tsutomu Yanagida, à l’université de Tokyo, puis plus récemment Takehiko Asaka et Mikhail Shaposhnikov, à l’École polytechnique fédérale de Lausanne, la réponse tient en deux mots : neutrino stérile, encore hypothétique, qui aurait fait pencher la balance. Comme l’explique Marco Cirelli, à la division théorique du Cern, « si on postule l’existence de neutrinos stériles très massifs, alors on peut engendrer pour ces particules une dissymétrie suffisante entre matière et antimatière à même de rendre compte de l’asymétrie primordiale ». Ainsi, juste après le big-bang, alors que neutrinos et antineutrinos stériles se transformaient les uns dans les autres, les seconds ont dû se désintégrer à un taux supérieur, dissymétrie qui a finalement permis à la matière de l’emporter. Pour le physicien, « c’est la piste la plus concrète pour expliquer l’absence d’antimatière dans l’Univers ».