Une vue de l'intérieur de l'un des détecteurs de neutrinos de la Daya Bay Reactor Neutrino Experiment. © Roy Kaltschmidt, Lawrence Berkeley National Laboratory

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Neutrinos stériles et révolution du modèle standard : le message du réacteur de Daya Bay

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Les neutrinos stériles sont l'un des serpents de mer de la nouvelle physique au-delà du modèle standard chassés par les chercheurs. Une très sérieuse anomalie avait été constatée avec les antineutrinos de ce modèle en relation avec les réacteurs des centrales nucléaires. Une expérience a été menée pour vérifier si cette anomalie était bien en relation avec l'existence de ces neutrinos.

À la fin des années 1990, la physique des hautes énergies semblait à la veille d'une révolution sans pareil et peut-être même de la plus importante révolution scientifique de toutes l'histoire de l'humanité puisque la physique de la gravitation quantique, celle de la superforce dominant toutes les autres et tous les types de matières, semblait à portée de main. Il a fallu déchanter, car même si tout reste encore logiquement possible, il semble maintenant bien plus probable que de la nouvelle physique ne soit finalement accessible directement qu'à des énergies à tout jamais impossibles à obtenir sur Terre. La découverte du boson de Brout-Englert-Higgs pourrait donc bien être la dernière dans le domaine de la physique des particules, comme le craignaient les chercheurs à la fin des années 1970.

Tout espoir de détection indirecte d'une nouvelle physique à basses énergies n'est cependant pas totalement perdu. Depuis des décennies, certains chercheurs ont entrepris d'explorer la piste des neutrinos, en particulier en étudiant la façon dont ils oscillent en se transformant les uns dans les autres. Les physiciens connaissent trois types de neutrinos mais certaines théories de grande unification, les fameuses GUT, supposent l'existence d'un quatrième type de neutrinos, plus massif que les trois déjà connus. Son influence sur les phénomènes doit se réduire à une participation subtile aux transformations par oscillations entre les types de neutrinos du modèle standard et bien sûr par la génération d'un champ de gravitation. C'est pour cette raison qu'on appelle ces neutrinos hypothétiques des neutrinos stériles, puisqu'ils n'interviennent que dans très peu de réactions entre les particules, qu'elles soient de production ou de désintégration.

Une vidéo sur l’histoire de la découverte des neutrinos. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Fermilab

Des neutrinos stériles qui jouent à cache-cache depuis 25 ans

Ils sont chassés dans différentes expériences et leurs traces ont peut-être commencé à être découvertes, notamment dans l'une de celle qui a été conduite entre 1993 et 1998, nommée Liquid Scintillator Neutrino Detector, LSND. Elle avait été menée par les chercheurs du célèbre Los Alamos National Laboratory, celui-là même où furent fabriquées les premières bombes atomiques, à l'aide d'un accélérateur de particules. Comme nous l'expliquions dans l'article ci-dessous, un excès d'antineutrinos électroniques, les antiparticules des neutrinos électroniques (voir la vidéo-ci-dessus), y a été observé. Excès dont on pouvait rendre compte par la présence des neutrinos stériles dans les oscillations de neutrinos.

En 2011, de nouvelles mesures concernant les flux d'antineutrinos, produits cette fois-ci dans les réactions au cœur des réacteurs nucléaires, sont apparues plus faibles que ne le laissaient supposer les calculs menés dans le cadre du modèle standard. Mais de nouveau, une explication pouvait être trouvée en ce qui concerne cette anomalie, dite des neutrinos de réacteur, en invoquant des neutrinos stériles dans lesquels se seraient transformés temporairement les antineutrinos, échappant ainsi à la détection.

Une vidéo sur les oscillations de neutrinos. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Fermilab

Le verdict des antineutrinos du réacteur de Daya Bay

Rien ne pouvait encore être conclu cependant, bien que cette anomalie soit plus sérieuse que les autres. C'est pourquoi les physiciens se sont lancés dans la construction de l'expérience de physique des neutrinos Daya Bay (en anglais Daya Bay Reactor Neutrino Experiment) située dans la baie de Daya, à 52 km au nord de Hong Kong et à 45 km à l'est de Shenzhen. Il s'agissait d'un projet international rassemblant des chercheurs de Chine, des États-Unis, de Taïwan et de la République tchèque.

L'expérience de Daya Bay consiste en six détecteurs entourant, dans un rayon de 1,9 kilomètre, six réacteurs nucléaires dans lesquels des réactions font intervenir des noyaux d'uranium 235, 238 et 239 avec ceux de plutonium 239 et 241. Les quantités associées à ces noyaux changent avec le temps par désintégration via la radioactivité bêta en émettant des antineutrinos. Malgré tout, selon la théorie, le déficit en antineutrinos attendus s'ils oscillent avec les neutrinos stériles ne devrait, lui, pas varier avec le temps. Comme les chercheurs viennent de l'annoncer avec un article déposé sur arXiv, ce n'est pas ce qu'ils ont observé, car il varie avec la décroissance de la quantité de noyaux d'uranium 235 alors qu'il devrait être insensible à l'origine des antineutrinos si ce déficit se produit de la même façon pour tous, par transformation en neutrinos stériles.

Il semble que la conclusion soit imparable d'après les physiciens. L'anomalie des neutrinos de réacteurs proviendrait en fait d'une erreur (qui reste à déterminer et à comprendre) dans les calculs du taux de production des antineutrinos par l'uranium 235 et non de la présence d'une nouvelle physique. Cela ne veut pas dire définitivement que les neutrinos stériles n'existent pas mais cela pose de nouvelles contraintes sur leurs propriétés et supprime une des raisons qui faisait croire à leur existence.

Pour en savoir plus

Les résultats de l'expérience MiniBooNE sont tombés

Article de Laurent Sacco publié le le 13/04/2007

Les résultats de l'expérience MiniBooNE viennent d'être rendus publics. La communauté scientifique retenait son souffle car l'enjeu était d'importance : une révolution dans le modèle standard des interactions fondamentales. Il s'agissait de savoir si une quatrième espèce de neutrinos existait, des neutrinos dits stériles car n'interagissant que par la gravité. Si une telle particule faisait partie du spectre des particules élémentaires, elle aurait des implications aussi bien pour la nature de la matière noire, la naissance des premières étoiles que pour certaines anomalies dans le mouvement des étoiles à neutrons. Certains étaient même allés jusqu'à dire qu'aussi bien le modèle standard des interactions que celui du Big Bang en cosmologie pourraient nécessiter alors une révision importante.

Pour bien comprendre ce que cherchaient à faire les membres de l'équipe MiniBooNE, il faut faire quelques rappels sur le phénomène d'oscillation des neutrinos.

Il y a trois types de neutrinos dans le modèle standard des quarks et des leptons. Ces neutrinos, bien que neutres électriquement, sont sensibles à la force nucléaire faible et interagissent avec les quarks et surtout avec les électrons, les muons et les tauons avec lesquels ils forment des paires associées. Ils participent donc aux réactions nucléaires comme celles à l'intérieur des étoiles et celles qui ont eu lieu lors de la nucléosynthèse primordiale.

Les neutrinos dans le modèle standard. A chaque neutrino est associé un autre lepton comme l'électron © Janet M. Conrad

En particulier, les réactions qui ont lieu dans notre Soleil doivent produire un flux important de neutrinos dits électroniques car on les trouve étroitement associés aux électrons dans les réactions entre particules élémentaires. Comme les neutrinos interagissent faiblement avec la matière à basse énergie, ceux produits dans le Soleil le quittent assez rapidement, alors que des photons prenant naissance dans son coeur mettront plus d'un million d'années pour atteindre la surface de notre astre.

Un bon moyen de comprendre l'intérieur du Soleil, et surtout de vérifier nos théories sur l'origine de sa production d'énergie, était donc de détecter ce flux de neutrinos sur Terre.

C'est là que les premières surprises sont arrivées : il y avait moins de neutrinos que prévu !

Trois possibilités se présentaient alors :

  • notre théorie des interactions nucléaires faibles était incomplète.
  • notre théorie de la structure interne des étoiles était fausse.
  • les réactions nucléaires à l'intérieur du soleil étaient en panne pour une raison inconnue depuis moins d'un million d'années.

Cette dernière possibilité, très peu probable, pouvait être inquiétante et Arthur C.Clarke ne s'est pas privé d'en faire la trame d'un de ses romans avec la civilisation humaine obligée d'émigrer vers les étoiles pour échapper à la destruction causée par son soleil moribond.

La seconde possibilité a été éliminée avec les progrès de la sismologie solaire. Restait la première.

La mécanique quantique autorise des particules élémentaires voisines à n'être en fait que différents états d'une même particule en un certain sens. Si l'on considère deux particules A et B associées d'une manière définie, alors il existe une certaine probabilité pour que la particule A se change en sa particules soeur B puis à nouveau en A. C'est ce qu'on appelle un processus d'oscillation.

L'idée pour résoudre l'énigme des neutrinos solaires est alors simple. Si l'on dote les neutrinos électroniques, muoniques et taoniques de masses, alors ces différentes espèces sont susceptibles d'osciller entre elles. Or, les expériences sur Terre pour la détection des neutrinos solaires n'étaient sensibles qu'aux neutrinos électroniques. Si donc une partie du flux de neutrinos électroniques se transformait au cours du temps en neutrinos d'une autre espèce de façon oscillatoire, une série de détecteurs placés entre le Soleil et un point de l'espace enregistrerait des zones de maximum de neutrinos électroniques et des zones de minimum de façon très similaire aux ondes stationnaires sur une corde vibrante. La Terre se trouverait donc juste dans une zone où le flux ne serait pas uniquement constitué de neutrinos électroniques.

Exemple d'oscillation de deux neutrinos se transformant l'un dans l'autre. © universe-review

C'est bien ce qui se passe comme plusieurs expériences récentes l'ont montré. On peut obtenir une formule donnant la probabilité d'observer la transformation d'une particule A (ex neutrino muonique νμ ) en une particule B (ex neutrino électronique νe) à une distance L de son point d'émission en fonction des différences de masses de ces deux particules Δm, de l'énergie E de la particule A. Un paramètre θ intervient aussi mais il ne nous sera pas utile d'en parler ici.

© Janet M. Conrad

Le point-clé à comprendre est que selon cette formule, en jouant sur des paramètres comme la distance et l'énergie, et en fonction des théories prédisant θ et Δm, des oscillations dans les flux de neutrinos sont mesurables. Ainsi, en produisant un flux de neutrinos en accélérateur, il est possible de tester directement certaines de ces théories. De même, les rayons cosmiques entrant en collision avec les noyaux de l'atmosphère terrestre doivent aussi produire un certain flux de neutrinos.

Tout semblait aller dans le meilleur des mondes possibles quand une expérience avec accélérateur nommée LSND, qui est l'acronyme de Liquid Scintillator Neutrino Detector, s'est déroulée à Los Alamos en 1995. Elle est venue jeter un gros pavé dans la mare, un excès d'anti-neutrinos électroniques y a été détecté, en désaccord avec les prédictions théoriques sur les oscillations.

Les mesures sur les flux de neutrinos solaires, en atmosphère et en accélérateur indiquaient en effets des Δm différents. Or, avec seulement trois espèces de neutrinos, un tel phénomène ne semblait pas pouvoir se produire. Sauf erreurs dans l'analyse de l'expérience LSND, qu'elles soient d'origine humaine ou dues à de simples fluctuations statistiques (peu crédible), une modification de la théorie devenait inévitable.

La solution la plus économique semble être de rajouter un quatrième neutrino. C'est là où les choses se gâtent vraiment. Comme indiqué précédemment, les neutrinos sont sensibles aux interactions nucléaires faibles et donc font sentir leurs effets dans les réactions nucléaires et entre particules élémentaires. S'il existait plus de trois neutrinos la nucléosynthèse primordiale serait affectée et prédirait une abondance de noyaux d'hélium qu'on n'observe pas.

De fait, en se basant sur cette constatation, les astrophysiciens avaient prédit que lorsqu'on observerait en accélérateur ce qu'on appelle la largeur de résonance de la désintégration du Z0, une quantité dépendant du nombre de neutrinos sensibles aux interactions faibles, celle-ci indiquerait clairement qu'il n'existait que trois neutrinos différents dans l'Univers. Effectivement, le LEP au CERN en 1989 a brillamment confirmé cette prédiction.

Comment s'en sort-on ?

Tout simplement en acceptant que ce neutrino soit lui sensible uniquement à la gravitation et pas aux interactions faibles. Il ne ferait qu'intervenir en tant qu'état supplémentaire pour les oscillations entre différents neutrinos, et c'est pourquoi il a été appelé stérile.

La boîte de Pandore a été ouverte, car un tel neutrino ne trouve pas sa place dans le modèle standard, il requiert une physique nouvelle, une physique qui peut aussi bien être une bénédiction qu'une catastrophe.

En effet, en analysant d'un peu plus près les différents résultats, notamment celui de LSND, ce n'est pas un mais deux neutrinos stériles qu'il faudrait faire intervenir. De plus, ces neutrinos, à l'inverse de ceux du modèle standard sont dits droits. Si l'on considère les neutrinos comme des sortes de toupies, contrairement aux autres particules, ils n'interviennent en physique que dans un seul sens de rotation dits gauche. Leur image dans un miroir, inversant le sens de rotation, donne un neutrino droit mais ils n'ont jamais été observés, sauf sous la forme d'anti-particule. C'est justement la fameuse violation de la parité découverte dans les années 50 pour les interactions faibles.

Selon certains, cela concorderait particulièrement bien avec l'idée qu'il existerait en fait un monde miroir du nôtre dans lequel la parité ne serait pas violée. Les neutrinos gauches, et toutes les autres particules du modèle standard vivraient dans notre Univers et les neutrinos droits avec les particules miroirs des précédentes seraient dans un autre Univers n'interagissant avec le nôtre que par la gravitation. Il suffirait juste de trois et non pas deux neutrinos stériles.

Selon d'autre, il suffirait d'un seul neutrino stérile mais associé à ce qu'on appelle la violation de la symétrie CPT. Ce n'est pas le lieu pour s'étendre sur cette symétrie mais il faut savoir qu'il s'agit d'un théorème important de la théorie quantique relativiste des champs. En le violant, la masse d'une anti-particule ne serait pas obligée d'être identique à celle de sa particule, cela suffirait à modifier les Δm de la théorie initiale des oscillations de neutrinos.

En fait, en poussant le bouchon un peu plus loin, la simple violation de CPT suffirait pour expliquer les résultats de LSND. C'est quand même une solution extrême bien que fascinante. Violer la symétrie CPT c'est nécessairement remettre en cause un des postulats du théorème CPT, en l'occurrence très probablement la théorie de la relativité restreinte !

Un pas que des chercheurs comme Allan Kostelecky n'hésitent pas à franchir.

En astrophysique et en cosmologie, les choses pourraient être tout aussi spectaculaires. Les scénarios sur la matière sombre froide (CDM) butent sur des difficultés, ils prédisent plus de galaxies naines satellites autour des galaxies comme la nôtre qu'on n'en observe par exemple. Une pincée de neutrinos stériles, constituant ce qu'on appelle de la matière sombre tiède, suffirait à gommer les petites inhomogénéités de densité prédites par le CDM à l'origine de ces galaxies naines.

Avec des neutrinos stériles instables se désintégrant en photons, la réionisation de l'Univers se produirait plus tôt que la date indiquée par les mesures ne reposant pas sur WMAP. Et justement, cela permettrait de résoudre le conflit entre ce qu'indique le rayonnement cosmologique avec WMAP, une réionisation rapide avec formation précoce des premières étoiles, et ces mesures reposant sur l'effet Gunn-Peterson dans les spectres des quasars à grand décalage vers le rouge.

On ferait d'ailleurs d'une pierre deux coups, la formation d'une étoile nécessite de franchir différentes barrières, dont la dissipation de suffisamment d'énergie thermique lors de l'effondrement du nuage de gaz progéniteur. On pense aujourd'hui que des molécules formées d'atomes « lourds » du point de vue d'un astrophysicien, et surtout des poussières carbonées, sont des ingrédients essentiels.

Mais alors comment ont pu se former les premières étoiles de population III en l'absence justement de ces ingrédients synthétisés par les étoiles ?

En ionisant rapidement les nuages d'hydrogène atomique pendant les Ages Sombres, alors que la densité de matière baryonique du cosmos avait encore une certaine valeur, de l'hydrogène moléculaire se serait formée massivement. Les neutrinos stériles seraient alors juste ce qu'il faudrait pour créer les conditions nécessaire à l'apparition des premières étoiles !

Tout cela semble prometteur mais il y a un certains nombres de choses qu'il faut bien avoir à l'esprit. Bon nombre de ces modèles théoriques sont très contraints par les expériences déjà existantes, donc, soit il faut faire des contorsions délicates pour ajuster finement les paramètres, soit c'est le modèle cosmologique standard et celui de la théorie quantique des champs qu'il faut remettre en question si des neutrinos stériles existaient bel et bien. Mais surtout, LSND c'est juste une seule expérience, la possibilité d'une erreur reste toujours une éventualité non négligeable.

On comprend aisément qu'une deuxième expérience, plus précise et destinée à tester spécifiquement un mécanisme avec oscillation de neutrino stérile soit une nécessité absolue.

C'est ce qui a été réalisé avec MiniBooNe, le premier petit pas (Mini) pour l'expérience BooNe l'acronyme de Booster Neutrino au Fermilab. Booster est l'accélérateur de protons créant le faisceau dirigé sur une cible en béryllium. Un faisceau secondaire de mésons π et K est alors produit, lesquels en se désintégrant donnent des muons se désintégrant à leur tour en neutrinos. Le flux final arrivant dans un détecteur équipé de photomultiplicateurs et rempli d'huile minérale. En interagissant avec la matière, les neutrinos y provoquent la création de leptons chargés responsables d'un rayonnement Cerenkov.

Schéma de l'expérience MiniBooNE © Janet M. Conrad
Le détecteur de neutrinos rempli d'huile minérale très pure. Notez les capteurs à effet Cerenkov recouvrant sa surface interne. © Janet M. Conrad

Quels sont donc les résultats de l'expérience ?

En exclusivité pour Futura-sciences nous avons demandé à Jean Orloff, professeur au LPC de l'Université de Clermont-Ferrand et un des membres du conseil scientifique du GDR neutrino s'il pouvait nous en dire plus sur les neutrinos stérile et les résultats de MiniBooNE.

Jean Orloff est professeur à l'université Blaise Pascal et membre du laboratoire de Physique corpusculaire de l'IN2P3/CNRS à Clermont-Ferrand. Il a passé une thèse de doctorat avec François Englert, et connaissait bien son collègue et ami Robert Brout. Ses travaux portent sur la matière noire et la physique des saveurs de quarks et de leptons. © Jean Orloff

Futura-Sciences : Les résultats de l'équipe MiniBooNE invalident-ils ceux de LNSD ?

Jean Orloff : C'est un peu plus compliqué que cela, LNSD a mesuré un excès d'anti-neutrinos électroniques alors que dans le cas de MiniBooNE, l'expérience a consisté à examiner si un excès de neutrinos électroniques était présent. Ces deux excès devraient aller de pair dans l'hypothèse d'un mécanisme simple d'oscillation avec neutrino stérile. Ce qui semble maintenant fortement exclu, mais il faut rester prudent, c'est ce mécanisme avec neutrino stérile pour expliquer ce que LNSD a observé.

Il y a donc toujours potentiellement quelque chose d'intrigant avec LNSD, quelque chose qui nécessiterait, par exemple, de remettre en cause la symétrie CPT ?

Jean Orloff : Oui, si les mesures de LSND sur les anti-neutrinos devaient être confirmées par une autre expérience, il est possible que nous soyons en présence d'une fenêtre ouverte sur une physique au-delà du modèle standard. Quelque chose comme la violation de la symétrie CPT en effet. Mais là encore restons prudent, la remise en cause de ce théorème de la théorie quantique relativiste des champs serait un bouleversement assez considérable du modèle standard. Des propriétés fondamentales comme la relativité ou la localité seraient indirectement touchées, et pour beaucoup de théoriciens, d'autres évidences expérimentales plus solides seraient nécessaires avant de s'engager dans une voie aussi extrême.

Est-ce que MiniBooNE invalide l'hypothèse de l'existence de neutrinos stériles ?

Jean Orloff : Pas vraiment, disons plutôt que ce résultat supprime une excuse phénoménologique justifiant leur introduction. En fait il y a plusieurs types de neutrinos stériles qui ont été introduits pour résoudre des problèmes en physique des hautes énergies ou en cosmologie. Les neutrinos stériles de faibles masses sont aujourd'hui plutôt défavorisés par les différentes observations.

Il y a bien quelques modèles avec ceux-ci qui tiennent encore à peu près la route, mais ils demandent un ajustage particulièrement fin et peu convaincant des paramètres de la théorie. Des neutrinos stériles ayant une masse faible mais plus importante que celles testées par MiniBooNE ont été ainsi proposés pour résoudre à la fois la question de la matière noire et celle de l'asymétrie matière-antimatière.

Par contre, pour des neutrinos stériles vraiment lourds, avec des masses de l'ordre de celles qui existent dans le cadre des Théories de Grande Unification, les choses sont différentes. Les raisons théoriques qui poussent à leur existence sont assez solides mais leurs effets à basse énergie sont très indirects et quasi invisibles.

  • Le modèle standard de la physique des particules admet l’existence de trois types de neutrinos qui peuvent se transformer les uns dans les autres, c’est-à-dire osciller selon le jargon des physiciens.
  • Un quatrième type de neutrinos pourrait exister, permettant d’expliquer par exemple la matière noire et la naissance des premières étoiles.
  • De multiples anomalies sont apparues avec la physique des neutrinos depuis 25 ans et l’on cherche à en savoir plus à ce sujet avec des expériences traquant les neutrinos stériles indirectement.
  • La dernière en date n’est pas favorable à leur existence, mais le dernier mot n’est pas encore dit.