Dans un laboratoire gelé enfoui sous le pôle Sud, des scientifiques ont passé près d’une décennie à rechercher un nouveau type de particule hypothétique, appelé neutrino stérile.
les neutrinos sont encore plus étranges. Les neutrinos en eux-mêmes sont déjà assez étranges – des trillions d’entre eux circulent inoffensivement à travers vous pendant que vous lisez cette phrase, comme de minuscules fantômes. Mais les neutrinos stériles
Alors que les neutrinos normaux n’interagissent avec la matière que par le biais de la force subatomique faible et de la gravité (c’est pourquoi nous ne les sentons ni ne les voyons passer à travers nous), les neutrinos stériles ne devraient interagir que par le biais de la gravité, ce qui les rend encore plus difficiles à repérer et en fait des candidats de choix pour l’identité de la matière noire.
Mais cela suppose qu’ils soient réels. Des chercheurs de l’Observatoire de neutrinos IceCube du pôle Sud viennent d’annoncer qu’après avoir analysé plus de 100 000 événements neutrinos, ils sont “presque certains ” que le neutrino stérile n’existe pas.
“Comme Elvis, les gens voient des indices du neutrino stérile partout”, a déclaré l’un des principaux chercheurs d’IceCube, Francis Halzen, de l’université du Wisconsin-Madison. “Il y avait cette collection d’indices, et les théoriciens étaient convaincus de son existence”
Mais prenons un peu de recul et expliquons pourquoi cette particule hypothétique est une si grande affaire.
Il existe actuellement trois types ou “saveurs” de neutrinos réguliers dont nous connaissons l’existence – le muon, l’électron et le tau.
Étant électriquement neutres, les neutrinos n’interagissent pas avec la matière par le biais du spectre électromagnétique (lumière et ondes radio) et nous ne pouvons détecter leur présence fantomatique que dans des observatoires très sensibles et éloignés comme IceCube, où le “bruit de fond” des autres particules est filtré.
Vous pouvez voir l’entrée d’IceCube sur la photo ci-dessus pour vous faire une idée de son isolement.
Dans les années 1990, des chercheurs du laboratoire national de Los Alamos ont détecté des signaux étranges qui suggéraient l’existence d’un mystérieux quatrième type de neutrino – un neutrino qui n’interagirait pas du tout avec la matière, sauf peut-être par gravité, d’où son nom de stérile
Depuis lors, ces signaux ont été observés dans le cadre d’autres expériences menées dans le monde entier, dont la plus récente à Hong Kong.
S’il était détecté directement, le neutrino stérile constituerait un événement majeur, non seulement parce qu’il remettrait en cause le modèle standard de la physique des particules, mais aussi parce qu’il serait l’un des principaux candidats à la matière noire, cette substance mystérieuse qui représente plus de 80 % de la masse de notre Univers.
Tout comme l’hypothèse du neutrino stérile, nous ne pouvons voir que des indices de la matière noire par le biais de la gravité, et nous n’avons jamais pu l’observer directement.
Plus encore, le neutrino stérile pourrait aider les scientifiques à comprendre pourquoi nous existons, en expliquant pourquoi il y a un tel déséquilibre entre la matière et l’antimatière.
Ce déséquilibre est étrange, car le Big Bang qui a donné naissance à notre Univers aurait dû créer des quantités égales de matière et d’antimatière, qui s’annihilent mutuellement lorsqu’elles entrent en collision. Mais pour une raison quelconque, cela ne s’est pas produit.
Techniquement parlant, les neutrinos ne devraient pas avoir de masse non plus, mais ils en ont une, et les scientifiques pensent que la compréhension de ces minuscules particules pourrait aider à expliquer pourquoi il y a tant de matière que d’antimatière.
“Si vous ajoutez un quatrième neutrino, cela change tout”, a déclaré M. Halzen.
Le problème est que la nature stérile de cet hypothétique quatrième neutrino le rend très difficile à trouver – si les neutrinos ordinaires sont des fantômes, alors essayer de trouver un neutrino stérile revient à essayer d’attraper l’ombre d’un fantôme.
Mais il y a une chose avec laquelle le neutrino stérile pourrait interagir et qui pourrait nous aider à le détecter : les neutrinos ordinaires. En effet, les physiciens prévoient que le neutrino stérile serait capable de se transformer en l’un des trois autres types de neutrinos, et vice versa.
La seule façon de détecter directement un neutrino stérile serait donc d’attraper l’un des autres neutrinos en train de se transformer en lui. C’est pourquoi les chercheurs d’IceCube ont passé la majeure partie de la décennie à rechercher toute trace de cette particule.
S’ils parvenaient à repérer un neutrino traditionnel en train de “disparaître” lors de son passage dans l’observatoire, cela pourrait suggérer la présence de la quatrième version de la particule.
Mais deux analyses indépendantes, portant chacune sur l’équivalent d’une année de données, soit environ 100 000 événements neutrinos, ont maintenant conclu qu’il y a 99 % de certitude que le neutrino stérile n’existe pas.
L’équipe a publié ses résultats dans Physical Review Letters, mais vous pouvez les lire en intégralité et gratuitement sur ArXiv.
Les analyses ont été effectuées en examinant les neutrinos atmosphériques, créés lorsque les rayons cosmiques s’écrasent sur les particules de la haute atmosphère terrestre.
Lorsque ces neutrinos tombent en pluie depuis l’hémisphère nord, la Terre agit comme un filtre géant, éliminant toutes les autres particules, de sorte que seuls les neutrinos atteignent les eaux claires et glacées de l’observatoire IceCube, situé à plus de 1,6 km sous le pôle Sud.
L’observatoire contient 5 160 capteurs de lumière, suffisamment sensibles pour détecter les faibles éclairs de rayonnement bleu Cherenkov émis lorsque les neutrinos s’écrasent sur les noyaux.
L’équipe s’intéressait aux événements neutrinos qui se produisaient dans la gamme de 320 gigaelectronvolts (GeV) à 20 teraelectronvolts (TeV) – un spectre d’énergie dans lequel l’émergence de neutrinos stériles produirait une signature très distinctive.
Malheureusement, aucun signe de cette particule hypothétique n’a été détecté, ce qui suggère soit qu’elle n’existe pas, soit que nous ne cherchons pas la bonne chose. Dans tous les cas, cela signifie qu’il est temps de repenser notre idée de la famille des neutrinos et de rayer un autre candidat à la matière noire de la liste.
Mais il n’y a pas que des mauvaises nouvelles : maintenant que nous sommes enfin capables de détecter directement les ondes gravitationnelles, cela ouvre une toute nouvelle fenêtre sur l’Univers, qui pourrait enfin nous révéler la vérité sur la matière noire, et peut-être même sur ces hypothétiques signaux de neutrinos stériles.
Nous sommes impatients d’en savoir plus.