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Neutrinos stériles : une hypothèse moins probable après l'expérience Minos

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Les neutrinos existent au moins sous trois formes qui se transforment les unes dans les autres. Il en existe peut-être un quatrième type, dit stérile, qui pourrait faire partie des particules de matière noire. Mais selon les derniers résultats de l'expérience Minos, c'est de moins en moins probable...

Crédit University of Cambridge

La physique des neutrinos passionne les physiciens qui veulent aller au-delà du modèle standard. Peut-on attribuer des masses à ces particules fantomatiques, plus abondantes dans l'Univers que les photons et les particules de matière? Le modèle standard l'autorise mais ne l'exige pas. Il est de plus complètement muet sur la valeur de ces masses, dont on sait qu'elles existent depuis les mesures de flux des neutrinos solaires, effectuées par exemple par les détecteurs Super Kamiokande en 1998 et aujourd'hui Borexino. Or, il existe des extensions du modèle standard, comme la supersymétrie ou les théories des GUT basées sur un groupe de jauge dit SO(10), qui ont leur mot à dire sur ces masses. L'étude des neutrinos est donc une possible fenêtre pour découvrir de la nouvelle physique.

Les neutrinos ne sont sensibles qu'aux forces nucléaires faibles et à la gravitation et ils oscillent entre plusieurs formes au cours du temps. Les expériences du LEP et les mesures des abondances de l'hélium dans l'Univers indiquent qu'il ne doit exister que trois types de neutrinos. Cependant, il est possible qu'un quatrième type soit présent, insensible aux interactions nucléaires faibles mais participant aux transformations des neutrinos les uns dans les autres au cours du temps selon un mécanisme d’oscillations. On parle alors de neutrino stérile, qui pourrait exister sous forme de particule de matière noire.

Ce n'est pas tout. On pourrait remettre aussi en question la stabilité des neutrinos qui pourraient bien se désintégrer au cours du temps en d'autres particules, plus légères, encore à découvrir, mais qui, là aussi, seraient liées à de la physique au-delà du modèle standard.

Les neutrinos stériles expliquent mal les disparitions des muoniques

Pour tester ces hypothèses, les physiciens du Fermilab fabriquent des faisceaux de neutrinos muoniques, car associés aux muons, qu'ils dirigent à travers la Terre en direction du détecteur Minos (Main Injector Neutrino Oscillation Search experiment) enterré dans la mine Soudan à 735 km de distance.

Les physiciens connaissent les caractéristiques des faisceaux de neutrinos qu'ils produisent. En fonction des caractéristiques de transformation des neutrinos les uns dans les autres et des possibilités de leur désintégration en diverses particules, ils peuvent prédire le flux de neutrinos arrivant dans le détecteur Minos. Ainsi, y parviennent moins de neutrinos muoniques qu'il n'en est produit par le Neutrinos at the Main Injector (NuMI) du Fermilab.

D'après les résultats qu'ils viennent de publier dans Physical Review D, l'hypothèse d'une désintégration des neutrinos est maintenant fortement défavorisée. Quant à celle des neutrinos stériles, elle continue à prendre du plomb dans l'aile. Alors que les précédentes estimations pouvaient expliquer 68% des neutrinos muoniques manquants par l'existence de neutrinos stériles, seules 50% des disparitions peuvent aujourd'hui être expliquées par ces neutrinos.

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