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La théorie de la relativité testée grâce aux oscillations des neutrinos

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Après avoir fêté le centenaire de la théorie de la relativité restreinte en 2005, cette année 2015 marque celui de la relativité générale. Les physiciens continuent de tester les idées d'Einstein en espérant en découvrir les limites. L'un des outils utilisés pour cela est le phénomène des oscillations des neutrinos.

Albert Einstein et Wolfgang Pauli étaient très conscients du rôle des symétries en physique, et notamment en relativité. Dès 1905, Einstein avait remarqué que sa théorie faisait intervenir un groupe connu aujourd'hui sous le nom de groupe de Lorentz. Les physiciens cherchent aujourd'hui des violations de l'invariance des lois de la physique sous l'action de ce groupe, par exemple avec une vitesse limite différente pour les particules dans le cosmos observable. C'est une voie de recherche pour dépasser le modèle standard. Pauli a postulé le premier l'existence des neutrinos que l'on utilise aujourd'hui pour tester la théorie de la relativité et découvrir de la nouvelle physique. © Cern

Le LHC n'est pas l'unique expérience en physique des particules qui pourrait nous permettre de découvrir de la nouvelle physique au-delà du modèle standard. Depuis longtemps et malgré une médiatisation moindre, les physiciens considèrent que l'étude des neutrinos pourrait conduire à cette nouvelle physique. De fait, c'est bien ce qui s'est produit lorsque le phénomène des oscillations des neutrinos a été mis en évidence avec l'expérience japonaise Super-Kamiokande en 1998. Il a été à nouveau vérifié quelques années plus tard avec les expériences Opera et T2K.

Rappelons que ce phénomène de conversion incessante des types de neutrinos connus les uns dans les autres avait été envisagé une première fois par le physicien italien Bruno Pontecorvo en 1957. Il fallait pour cela supposer que les neutrinos avaient une masse. La proposition de Pontecorvo, qui ne concernait initialement que les neutrinos et les antineutrinos de l'époque, fut étendue à plusieurs types de neutrinos en 1962 par les physiciens japonais Maki, Nakagawa et Sakata, peu de temps avant que Leon Lederman, Melvin Schwartz et Jack Steinberger ne découvrent la même année l'existence d'un deuxième neutrino.

Le physicien Bruno Pontecorvo, ancien élève de Fermi, est l’un des pères de la théorie des neutrinos. Il est l'un des premiers à avoir supposé que les neutrinos pouvaient se convertir périodiquement les uns dans les autres. © Yuri Tumanov, JINR

L'invariance de Lorentz, un postulat fondamental de la physique

Nous savons aujourd'hui qu'il existe trois types de neutrinos : les neutrinos électroniques, muoniques et tauiques. Ils prennent naturellement leur place dans le modèle des interactions électrofaibles et la QCD. Cependant, l'existence de leurs masses et de leurs oscillations a en quelque sorte été rajoutée à la main dans le modèle standard. Ils ne peuvent trouver une explication que dans une théorie plus vaste. La découverte de 1998 faite avec Super-Kamiokande peut être considérée comme le premier signal d'une nouvelle physique au-delà du modèle standard.

L'une des propositions les plus radicales à cet égard serait la mise en évidence de violations d'une symétrie fondamentale des équations de la théorie quantique des champs, celle du groupe de Lorentz. Il ne s'agirait rien de moins qu'une remise en cause, dans certaines situations expérimentales, des lois de la relativité restreinte. Ce groupe ne décrit en fait peut-être qu'une symétrie approchée de l'espace et du temps. Une telle possibilité a été étudiée à plusieurs reprises et notamment par Sydney Coleman et l'un des pères de la théorie du modèle électrofaible des neutrinos, le prix Nobel Sheldon Glashow.

Remettre en cause la théorie d'Einstein entraînerait une foule de conséquences en dominos, notamment une invalidation automatique du théorème CPT, ce qui permettrait peut-être d'expliquer l'asymétrie matière-antimatière en cosmologie. La mécanique quantique elle-même serait touchée car s'ouvrirait alors sérieusement la possibilité que des signaux transluminiques puissent servir à expliquer le paradoxe EPR dans le cadre de théories déterministes à variables cachées comme celles de Bohm-De Broglie.

La cuve de Super-Kamiokande contient 50.000 tonnes d'eau avec, tout autour, des détecteurs épiant la lumière Cerenkov que peuvent provoquer certains événements dans le monde subatomique, comme des protons qui se désintègrent. © Kamioka Observatory, Institute for Cosmic Ray Research

Des violations de la théorie de la relativité selon 19 paramètres

En fait, de telles violations sont activement cherchées depuis des années. Il existe même un cadre théorique ajoutant des corrections au modèle standard contenant des violations de l'invariance de Lorentz (comme on appelle dans le jargon des physiciens une remise en cause de la symétrie des équations fondamentale de la physique sous l'action du groupe de Lorentz). Ce cadre théorique, appelé en anglais Standard Model Extension (SME), contient 19 paramètres ajustables. Lorsque ces paramètres sont nuls, on retombe sur le modèle standard.

Comme l'explique un article récemment déposé sur arXiv par les membres de la collaboration Super-Kamiokande, il est possible de poser de nouvelles bornes sur ces paramètres déjà soumis à des tests par de précédentes expériences. En l'occurrence, on peut le faire en plongeant le mécanisme d'oscillation des neutrinos dans SME et en étudiant les éventuelles déviations qu'il prédit en ce qui concerne les flux de neutrinos atmosphériques. Il s'agit des neutrinos muoniques et électroniques produits par la désintégration dans les hautes couches de l'atmosphère des pions, kaons et muons générés par les collisions entre les rayons cosmiques et les noyaux des atomes présents dans ces couches.

Les probabilités de conversion des neutrinos les uns dans les autres dépendent de leurs énergies et de la longueur des trajets qu'ils parcourent dans l'atmosphère. Une expérience comme Super-Kamiokande peut notamment sonder les propriétés des oscillations des neutrinos à des énergies différentes et en fonction des distances parcourues. Aucun signe de violation de l'invariance de Lorentz n'a finalement été découvert. Les premières bornes sur les oscillations entre neutrinos muoniques et tauiques ont tout de même été obtenues alors que celles sur les oscillations de conversions entre les autres types de neutrinos ont été améliorées d'un facteur 1.000 environ.