Une étude récente publiée dans
Nature combine les données de deux expériences majeures - NOvA aux États-Unis et T2K au Japon - pour observer avec une précision inégalée comment les neutrinos, des particules capables de traverser presque toute matière comme si elle n'existait pas, changent d'identité pendant leur voyage.
Ces particules élémentaires existent sous trois formes distinctes: électronique, muonique et tauique, et leur capacité à se transformer d'un type à l'autre intrigue profondément les physiciens. Cette métamorphose, appelée oscillation des neutrinos, pourrait détenir la clé pour comprendre pourquoi notre Univers est principalement constitué de matière plutôt que d'antimatière.
L'expérience NOvA propulse un faisceau de neutrinos muoniques dans le sol depuis l'Illinois vers le Minnesota sur une distance de 800 kilomètres, tandis que T2K envoie ses neutrinos à travers les montagnes japonaises. Ces trajets différents permettent aux scientifiques d'étudier les oscillations sous diverses conditions énergétiques et distances. Zoya Vallari, physicienne à l'Université d'État de l'Ohio, compare ce phénomène à une glace au chocolat qui se transformerait continuellement en parfum menthe puis vanille pendant qu'on se promène dans la rue.
Les chercheurs cherchent particulièrement à déterminer si les neutrinos et leurs antiparticules se comportent différemment, un phénomène appelé violation de la symétrie Charge-Parité. La confirmation de cette asymétrie expliquerait pourquoi la matière a dominé l'antimatière après le Big Bang. Bien que les résultats actuels ne fournissent pas encore de réponse définitive, ils représentent une avancée significative dans notre compréhension de ces particules fondamentales.
Cette collaboration entre équipes normalement concurrentes démontre l'importance des enjeux. John Beacom, professeur à l'Ohio State, souligne que la complexité de ces travaux nécessite la participation de centaines de chercheurs. Les données combinées des deux expériences offrent une perspective plus complète qu'une seule étude isolée, préparant le terrain pour la future génération de détecteurs de neutrinos actuellement en développement.
Les physiciens continueront d'affiner leurs analyses avec de nouvelles données, construisant progressivement les fondations des prochaines découvertes qui pourraient révolutionner notre vision de l'Univers. Comme le rappelle Zoya Vallari, au-delà des applications technologiques, c'est la curiosité humaine de comprendre nos origines et notre place dans le cosmos qui motive ces recherches ambitieuses.
L'oscillation des neutrinos
L'oscillation des neutrinos désigne la capacité étonnante de ces particules à changer de type pendant leur déplacement. Ce phénomène quantique implique que les neutrinos ne possèdent pas de masse clairement définie mais existent dans un état de superposition de leurs trois "saveurs".
La découverte de cette propriété a valu le prix Nobel de physique en 2015 et a contraint les scientifiques à réviser le Modèle Standard de la physique des particules. Les oscillations se produisent parce que les états de saveur et les états de masse des neutrinos ne coïncident pas parfaitement.
Ce mécanisme explique pourquoi nous détectons moins de neutrinos émis par le Soleil que prévu - certains se sont transformés en types indétectables pendant leur voyage depuis le Soleil. L'étude précise des paramètres d'oscillation permet de mesurer les différences de masse entre les trois types de neutrinos.
La compréhension détaillée de ces oscillations ouvre la voie à de nouvelles physiques au-delà du Modèle Standard actuel, potentiellement révélatrices de symétries fondamentales de l'Univers.
La violation CP chez les neutrinos
La violation de la symétrie Charge-Parité (violation CP) représente l'une des quêtes les plus importantes de la physique moderne. Ce phénomène se produit lorsque les lois physiques traitent différemment les particules et leurs antiparticules.
Chez les neutrinos, la violation CP se manifesterait si les oscillations des neutrinos et des antineutrinos suivaient des probabilités différentes. Cette asymétrie pourrait expliquer le déséquilibre matière-antimatière observé dans l'Univers.
Le Big Bang aurait dû produire des quantités égales de matière et d'antimatière, qui auraient dû s'annihiler mutuellement. L'existence de notre Univers fait de matière suggère qu'un mécanisme a éliminé l'antimatière, et les neutrinos pourraient en être les acteurs principaux.
La détection définitive de la violation CP chez les neutrinos nécessitera des expériences encore plus précises, comme celles prévues avec les futurs détecteurs de nouvelle génération actuellement en construction dans plusieurs pays.