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Le Nobel 2015 de physique pour ceux qui ont vu osciller les neutrinos

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Particule évanescente, le neutrino avait déjà valu deux prix Nobel de physique. En voici un autre, 20 ans après le premier, pour le Canadien Arthur B. McDonald et le Japonais Takaaki Kajita qui, en 1998, ont montré pourquoi les neutrinos en provenance du Soleil semblaient si peu nombreux : parce qu'une partie d'entre eux se camouflaient. Cette « oscillation » impliquait une masse, ce qui a fait faire un joli pas en avant à la physique. Si vous n'avez pas tout compris, une seule adresse : Futura-Sciences, ses actus et ses dossiers.

Takaaki Kajita et Arthur B. McDonald viennent d'être récompensés par le prix Nobel de physique 2015. © Comité Nobel

Il est insensible à la force électromagnétique (celle des magnets) comme à l'interaction forte (celle des quarks) et la gravité ne l'affecte pratiquement pas. Seule l'interaction faible l'intéresse. Or elle est très... faible, comme son nom l'indique. Résultat, le neutrino n'interagit que très peu avec le reste du monde. Et ce n'est pas peu dire puisqu'un troupeau de ces particules traverse une planète entière avec peu de risque que l'une d'entre elles percute un noyau d'atome.

Imaginé en 1930 par Wolfgang Pauli (pour une affaire de désintégration bêta où intervient justement l'interaction faible), le neutrino (« petit neutron ») n'a été débusqué qu'en 1956. Frederick Reines reçut pour cela le prix Nobel de physique... en 1995. Il faut déployer de gros efforts pour chasser ces particules fantomatiques. Un télescope à neutrinos prend la forme d'une énorme piscine garnie de photodétecteurs et emplie d'une eau très pure. De temps à autre, un flash minuscule apparaît (un flash Tcherenkov) : avec un peu de chance c'est le résultat d'une collision d'un neutrino avec un neutron. Ainsi put-on mettre en évidence les neutrinos cosmiques (ce qui valut le prix Nobel de physique 2002 à Masatoshi Koshiba) ainsi que ceux venus du Soleil. Les réactions thermonucléaires qui le font briller en produisent en effet beaucoup.

C'est en les comptant patiemment que les physiciens ont découvert une énigme : il en manquait plus de la moitié. Au Japon, en 1998, l'expérience Super-Kamiokande, du nom de l'instrument situé à côté du village de Kamioka, a validé l'hypothèse : les neutrinos, durant leur voyage, changent de famille. Car ils en ont trois...

L'oscillation des neutrinos. Une particule d'une des trois saveurs, électronique (en rouge), muonique (en vert) et tauique (en bleu), peut se convertir périodiquement dans l'une des deux autres. Ce phénomène est décrit par des équations qui dépendent d'une physique au-delà du modèle standard. Son étude directe pourrait donc apporter des informations précieuses pour explorer de nouveaux territoires de la physique et de la cosmologie. © T2K Collaboration, 2013

Les neutrinos ont donc une masse

De même que les électrons ont deux cousins, le muon et le tau, qui diffèrent par leur masse et leur « saveur » (une propriété quantique), les neutrinos doivent avoir eux aussi trois saveurs possibles. Ils peuvent être électroniques (de même saveur que l'électron), muoniques ou tauiques. Et les détecteurs n'attrapaient que les premiers... Ce passage d'une famille à l'autre s'appelle une oscillation et le phénomène n'est pas anodin : il démontre que les neutrinos ont une masse, ce dont on n'était pas sûr.

Voilà cette avancée radicale récompensée par le prix Nobel 2015 pour Takaaki Kajita, qui travaillait sur l'expérience Super-Kamiokande, et pour Arthur B. McDonald, qui parvint à cette même conclusion que les neutrinos solaires n'étaient pas tous détectés à l'Observatoire de neutrinos de Sudbury, en Ontario (Canada), car ils devaient changer de saveur en route.

Les neutrinos nous réservent sans doute d'autres surprises

Les neutrinos n'ont pas fini de nous étonner et d'autres prix Nobel sont peut-être à venir... En 2011, certains ont bien cru qu'ils allaient peut-être plus vite que la lumière, ce qui se révéla faux.

En 2012, un message a été porté par un faisceau de neutrinos à travers 240 m de roche.

En 2014, Super-Kamiokande, encore lui, a mis en évidence un rythme circadien dans le flux de neutrinos solaires, ce qui serait la preuve de « l'effet MSW » par lequel la Terre, ou plutôt la matière qu'elle contient, influerait sur l'oscillation.

En 2015, les « géoneutrinos », produits par la Terre elle-même, paraissent un moyen de plus pour étudier l'intérieur de notre planète.

Le neutrino, un poids plume à suivre !