Les bâtiments de surface surplombant le détecteur géant de neutrinos IceCube, en Antarctique. La pureté de la glace à plus d’un kilomètre de profondeur permet à plus de 5.000 photomultiplicateurs d'enregistrer avec précision les flashs bleutés très ténus générés par les muons issus de la collision des neutrinos avec les noyaux atomiques de la glace. La construction d'IceCube a commencé en 2005, mais le détecteur est une version plus grande d'Amanda, qui date du début des années 1990. © Felipe Pedreros, IceCube, NSF

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Matière noire : IceCube a-t-il réfuté les neutrinos stériles ?

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Encore plus difficile à détecter que les trois types de neutrinos du modèle standard, les neutrinos stériles sont un des serpents de mer de la cosmologie et de la physique théorique. Des mesures faites avec le détecteur IceCube, immense instrument enfoui dans les glaces de l'Antarctique, viennent pourtant de rendre leur existence moins plausible en réfutant les expériences qui la suggéraient.

La physique des neutrinos est souvent présentée comme l'une des rares fenêtres à basses énergies disponible pour découvrir et sonder une éventuelle nouvelle physique. Et le jeu en vaut la chandelle car il pourrait nous donner de précieux renseignements sur la nature de la matière noire, l'énigme de l'antimatière en cosmologie et l'unification des forces. En l'occurrence, il s'agirait de mettre en évidence une quatrième famille de neutrinos, appelés neutrinos stériles.

Pourquoi un tel nom ? Parce que, contrairement à leurs cousins du modèle standard, qui peuvent interagir avec les quarks et les leptons via la force électrofaible, ceux-là en sont incapables. Ils ne peuvent signaler leur présence que par le champ de gravitation qu'ils génèrent, et c'est pourquoi ils apparaissent parfois dans des théories expliquant les caractéristiques des galaxies en faisant intervenir des particules de matière noire. En fait, ce n'est pas tout à fait exact, ils participent aussi, indirectement, au phénomène d'oscillation des neutrinos. Ce processus conduit à la transformation permanente des trois types de neutrinos les uns dans les autres. Mais avec eux, le jeu se jouerait à quatre.

Or, depuis plus d'une dizaine d'années, plusieurs expériences ont révélé des anomalies dans la physique des neutrinos telle qu'elle est comprise dans le modèle standard. Mais les résultats obtenus sont difficiles à interpréter. Ce fut par exemple le cas d'une expérience menée avec un accélérateur, nommée LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector) et qui s'est déroulée à Los Alamos en 1995. Un excès d'anti-neutrinos électroniques y avait été détecté, en désaccord avec les prédictions théoriques sur les oscillations, ce qui pouvait indiquer l'existence des neutrinos stériles. Mais d'autres expériences qui ont suivi, comme MiniBooNE, ont posé des contraintes sur l'existence de ces neutrinos, au niveau de leur masse par exemple.

Une présentation des neutrinos stériles et du principe de leur détection avec IceCube. 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 ».© IceCube Neutrino Observatory

Les neutrinos stériles transforment la Terre en filtre à neutrinos muoniques

Mais il y a plusieurs années, comme l'explique le célèbre physicien Francis Halzen dans la vidéo ci-dessus, son éminent collègue, l'astrophysicien John Bahcall (qui a fortement contribué à résoudre l'énigme des neutrinos solaires) comprend qu'il est peut-être possible de mettre en évidence les insaisissables neutrinos stériles en mettant à profit un télescope à neutrinos.

Comme l'ont montré en 1986, les physiciens soviétiques Stanislav Smirnov et Alexei Mikheyev, sur la base de travaux de l'États-Unien Lincoln Wolfenstein en 1978, le phénomène d'oscillation des neutrinos est affecté par le fait qu'ils se trouvent dans le vide ou bien qu'ils traversent un milieu dense, comme le Soleil ou la Terre. Cet effet MSW, c'est son nom, est donc supposé se produire dans le plasma solaire, et il explique pourquoi seulement 30 % environ des neutrinos électroniques produits au cœur du Soleil sont détectés, alors que cette fraction devrait être de 50 % en tenant compte uniquement du mécanisme d'oscillation dans le vide.

Or, sur Terre, des neutrinos à hautes énergie, dits atmosphériques, sont produits par les collisions entre les rayons cosmiques et les atomes de l'atmosphère. Ces neutrinos peuvent donc traverser la Terre et son noyau pour se retrouver dans le télescope à neutrinos IceCube construit en Antarctique. Si des neutrinos stériles existent, avec une masse comprise dans un intervalle donné, leur participation au phénomène d'oscillation devrait être détectable à cause de l'effet MSW. En pratique, la mesure du flux de neutrinos muoniques dans IceCube en fonction de leur énergie devrait montrer un creux bien prononcé, une « résonance » pour les physiciens, à une énergie donnée (voir la vidéo ci-dessus).

Comme ils l'expliquent dans un article déposé sur arXiv, les idées de Bahcall ont été testées par les membres de la collaboration IceCube. Les résultats obtenus en supposant l'existence de neutrinos stériles avec les masses suggérées par les précédentes expériences, où leur existence avait été postulée pour rendre compte des anomalies, sont en désaccord avec cette existence. Des neutrinos stériles avec d'autres masses restent possibles mais n'ont pas beaucoup de crédibilité. En fait, selon les chercheurs, IceCube auraient presque réfuté l'existence des neutrinos stériles.

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