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Matière noire : peut-être des signes des neutrinos stériles de Majorana

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Les neutrinos constituent une faible fraction de la matière noire. Mais la découverte de leurs oscillations a mené les physiciens à postuler l'existence de nouveaux neutrinos qui pourraient rendre compte de toute la partie restante. Ces neutrinos, dits stériles, sont l'un des serpents de mer de la physique théorique et de la cosmologie. Deux groupes d'astrophysiciens viennent peut-être de les débusquer dans les amas de galaxies. C'est l'occasion de se pencher un peu sur ces particules presque aussi insaisissables que l'homme qui a peut-être fourni les outils pour les comprendre : le physicien italien Ettore Majorana.

Suzaku est l'un des télescopes à rayons X en orbite. Deux de ses frères sont XMM Newton de l'Esa et Chandra de la Nasa. Cette composition intègre une image dans le visible de l'amas de galaxies de Persée et une autre prise dans le domaine des rayons X par Suzaku en trois jours de pose. L'intensité du rayonnement émis par le gaz chaud et ionisé entre les amas est indiquée en fausses couleurs. Le rayon du viriel (virial radius) indique en quelque sorte les limites de l'amas, celles où du gaz intergalactique froid entre en contact avec lui. Au centre, on voit une grande galaxie imagée par Chandra. La couleur bleue représente les zones où les émissions sont moins intenses. Les cercles rouges délimitent des sources X qui ne font pas partie de l'amas. La matière noire qui maintient lié le gaz chaud de l'amas est peut-être largement constituée de neutrinos stériles. © Nasa, ISAS, DSS, A. Simionescu et al., CXC, A. Fabian et al.

Dans un livre qu'il a publié voilà quelques mois, Étienne Klein parle de sa fascination pour l'une des grandes figures de la physique du XXe siècle encore trop peu connue : Ettore Majorana. De lui, Enrico Fermi disait qu'il surpassait son intelligence et qu'il était de la classe des esprits que l'on rencontre seulement sporadiquement dans toute l'histoire de l'humanité, comme Newton et Einstein. Majorana a disparu en 1938 dans des circonstances mystérieuses alors qu'il n'avait pas encore 32 ans. Comme Newton, il n'aimait pas rendre publiques ses idées. L'importance de son travail, hormis dans le domaine des forces nucléaires, est donc restée incomprise pendant des décennies.

Depuis une vingtaine d'années, son nom est de plus en plus porté sur le devant de la scène, car il a peut-être fourni des outils permettant de comprendre l'origine de la matière noire et de résoudre l'énigme de l'antimatière cosmologique. Le trait d'union entre ces deux mystères que tente de résoudre la physique moderne fait intervenir ce qu'on appelle des neutrinos stériles et des masses de Majorana.

Ettore Majorana (né à Catane, en Sicile, le 5 août 1906 et présumé disparu en mer Tyrrhénienne le 27 mars 1938) avait, selon les dires de son mentor, Enrico Fermi, une intelligence supérieure à la sienne. Faire de la physique théorique lui était aussi naturel que respirer, selon l'expression d'Étienne Klein. Ses découvertes les plus célèbres concernent une des bases de la physique de l'IRM et les premiers modèles de noyaux avec l'interaction nucléaire forte, avant celui de Heisenberg. © Wikipédia, DP

Les neutrinos et l'hélicité

Pour comprendre de quoi il s'agit, il faut se pencher sur le modèle standard des particules élémentaires, en particulier sur le modèle de l'interaction électrofaible. Une notion clé à avoir à l'esprit est celle d'hélicité. Les fermions comme l'électron, les quarks ou les neutrinos possèdent un moment cinétique intrinsèque, le spin. Pour faire simple, on peut se les représenter comme des toupies dont l'axe de rotation est parallèle au vecteur vitesse de ces particules. Selon que la rotation se fait dans un sens ou un autre, on parle d'hélicité gauche ou droite. Les neutrinos du modèle standard sont dits gauches pour cette raison, alors que les antineutrinos sont dits droits. Or, alors que les autres leptons et les quarks du modèle standard peuvent être aussi bien gauches que droits, on n'a jamais encore observé de neutrinos droits.

Si l'on s'en tient au modèle standard minimal, ce phénomène n'est pas étonnant. En effet, les symétries de jauge et le mécanisme de Brout-Englert-Higgs autorisent et expliquent en partie la masse des bosons, des quarks et des leptons autres que les neutrinos, mais interdisent la présence des neutrinos droits mais aussi l'attribution d'une masse aux neutrinos gauches.

La notion d'hélicité pour les particules élémentaires comme les quarks et les leptons est illustrée par ce schéma. V et p sont respectivement les vecteurs vitesse et quantité de mouvement de ces particules, que l'on peut se représenter comme des toupies en rotation. Le vecteur de moment cinétique propre S représente leur spin. Selon que celui-ci est parallèle ou antiparallèle aux vecteurs V et p, la particule, par exemple un neutrino, est dite droite (R pour right en anglais) ou gauche (L pour left en anglais). © haade, cc by sa 3.0

Les neutrinos et l'unification des forces

Nous savons maintenant que le modèle standard minimal est faux, car la découverte des oscillations des neutrinos nous a forcés à les doter de masse. Pour rendre compte de cette masse et des oscillations, on est naturellement conduit à introduire l'existence de trois autres types de neutrinos encore inconnus, des neutrinos droits (ce n'est toutefois pas la seule possibilité).

Remarquablement, de nouveaux neutrinos sont souvent requis par plusieurs tentatives pour unifier la force électrofaible avec la force nucléaire forte au sein de théories de grande unification (Gut) comme celle basée sur le groupe de Lie SO(10). Toutefois, les données de la cosmologie et les mesures réalisées sur la façon dont les bosons Z du modèle standard se désintègrent nous forcent à considérer des neutrinos qui ne participent pas aux interactions électrofaibles. Ils pourraient cependant prendre part à des processus faisant intervenir de nouveaux bosons de jauge à de très hautes énergies, celles des Gut. Mais aux énergies accessibles dans nos expériences, ils ne trahissent leur présence que par leurs implications dans les oscillations des neutrinos connus et par le champ de gravité qu'ils génèrent. C'est pour cette raison que ces neutrinos sont dits stériles par opposition aux neutrinos actifs du modèle standard.

Élève d'Enrico Fermi, comme Ettore Majorana, le prix Nobel de physique Tsung-Dao Lee, que l'on voit ici, a découvert théoriquement avec son collègue Chen Ning Yang que les forces nucléaires faibles violaient la symétrie de parité. Aujourd'hui, on sait que cela signifie que seuls les neutrinos gauches participent aux interactions électrofaibles. © China Center of Advanced Science and Technology

Antimatière et neutrinos de Majorana

Les théories les plus élégantes et les plus convaincantes concernant ces neutrinos et leur masse supposent que ces fermions sont d'un type particulier, différent de ceux que Paul Dirac a été conduit à découvrir en cherchant une théorie quantique relativiste des électrons. Ils viennent d'une alternative à la théorie de Dirac que Majorana avait découverte pour décrire des fermions neutres. Alors que l'antiparticule d'un fermion de Dirac n'est pas identique à sa particule, comme le prouve la différence entre un électron et un positron, un fermion de Majorana est sa propre antiparticule, comme l'est le photon qui est un boson. Les termes de masse qui apparaissent dans des extensions du modèle standard expliquant l'origine des oscillations des neutrinos sont ainsi appelés des masses de Majorana pour les distinguer des masses dites de Dirac. Masses et fermions de Majorana sont combinés au sein de modèles incorporant ce qu'on appelle le mécanisme de see-saw (mécanisme de « bascule »). Il prédit l'existence de neutrinos très légers comme ceux du modèle standard, mais aussi de neutrinos plus lourds.

Le physicien Pierre Ramond a été à l'origine de travaux importants en théorie des supercordes. Avec Murray Gell-Mann et Richard Slansky, il a proposé le premier modèle expliquant l'origine des oscillations des neutrinos et surtout expliqué pourquoi et comment les neutrinos du modèle standard sont nettement moins massifs que les quarks et les autres leptons. Le mécanisme que les trois chercheurs ont introduit a été nommé see-saw, ce qui signifie « bascule » en anglais. © Pierre Ramond

Les théories faisant intervenir des neutrinos stériles ont plusieurs avantages. En plus d'être une fenêtre ouverte sur une physique à très haute énergie inaccessible directement en accélérateur, elles permettent de construire un scénario expliquant la prédominance de la matière sur l'antimatière via d'abord une leptogénèse (une production de leptons comme l'électron) avec des neutrinos puis une baryogénèse (une génération de quarks composants les baryons comme les protons) à partir de processus dit non perturbatifs dans le modèle électrofaible. Surtout, l'un des neutrinos stériles pourrait avoir une faible masse, de l'ordre de quelques kiloélectronvolts. Produits en grande quantité au tout début de l'histoire de l'univers, ces neutrinos sont de bons candidats au titre de particules de matière noire.

Des neutrinos stériles dans les amas galactiques ?

On cherche des traces de leur existence depuis plusieurs années, mais jusqu'à présent, les résultats n'étaient guère convaincants. Ces neutrinos stériles pouvaient se désintégrer lentement en photons et neutrinos actifs. Ils produiraient en fait des émissions dans le domaine des rayons X assez caractéristiques.

Récemment, deux groupes d'astrophysiciens ont annoncé qu'ils avaient indépendamment découvert des indications sérieuses de l'existence d'une même raie d'émission dans le domaine des rayons X. Ils n'arrivent pas vraiment à l'expliquer par des processus astrophysiques classiques, par exemple avec des transitions atomiques. Cette raie a émergé de longues observations cumulées du satellite XMM Newton de l'Esa (et aussi de Chandra, de la Nasa) concernant des amas de galaxies, en particulier celui de Persée et même de la galaxie d'Andromède. Ces observations restent à confirmer, mais elles sont parfaitement compatibles avec les modèles de neutrinos stériles qui ont été contraints par diverses expériences et observations au cours des années. Le physicien Adam Falkowski l'expliquait déjà il y a quelques semaines sur son célèbre blog Résonaances.

Il est possible que le statut de cette mystérieuse raie ne soit éclairci qu'à partir des observations que sera en mesure de faire la mission Astro-H. C'est un télescope spatial à rayons X développé par l'agence spatiale japonaise ISAS (une branche scientifique de la Jaxa). Son lancement est prévu pour 2015. Peut-être aura-t-on des preuves de l'existence des particules de matière noire avant cela, grâce à des expériences comme AMS-02 ou Lux.

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