Sciences

Neutrinos transluminiques : le coup de froid d'IceCube

ActualitéClassé sous :physique , pion , icecube

Personne n'a encore trouvé d'erreur dans l'analyse des mesures de la collaboration Opera qui avaient conduit à la conclusion que les neutrinos peuvent se déplacer plus vite que la lumière. Mais ces neutrinos transluminiques ne sont pas compatibles avec des variantes du modèle standard, autorisant de légères violations de l'invariance de Lorentz. Après l'expérience Nomad et Icarus, c'est au tour de IceCube de fournir des résultats peu compatibles avec Opera.

Un schéma montrant IceCube en Antarctique. Plusieurs modules capables de détecter la lumière Cerenkov (cône bleue) produites par les rayons cosmiques sont installés en colonnes verticales de plusieurs kilomètres dans la glace. © 2011 Exploratorium

Les observations d'Opera, faisant état de neutrinos arrivant avec 60 nanosecondes d'avance sur des photons qui auraient parcouru la même distance entre les accélérateurs du Cern et le détecteur enfoui sous le Gran Sasso en Italie, continuent de défier Einstein. Il est tout aussi vrai qu'il est encore trop tôt pour que s'impose une révision sérieuse des fondations de la théorie de la relativité restreinte. Ainsi, même dans l'hypothèse où ces observations seraient confirmées par une autre expérience, il existe différentes façons de conserver la théorie d'Einstein.

Bien que cette explication ne tienne finalement pas pour diverses raisons, les neutrinos d'Opera auraient pu être des tachyons, c'est-à-dire des particules qui se déplacent toujours plus vite que la lumière. Toute limite ayant deux côtés, de telles particules peuvent exister sans violer l'invariance de Lorentz au cœur de la théorie de la relativité.

On pourrait supposer aussi que la véritable vitesse limite de la théorie de la relativité n'est finalement pas celle de la lumière, sans changer la théorie d'Einstein. Il suffit de modifier les équations de propagation des ondes de manière à avoir diverses vitesses limites pour les particules de forces et de matière. Au final, la vitesse de propagation maximale serait celle des ondes de gravitation, qui serait légèrement supérieure à celle de la lumière et des neutrinos.

Toutefois, depuis longtemps, des physiciens comme Sheldon Glashow et Sidney Coleman ont étudié des variantes du modèle standard autorisant de légères violations de l'invariance de Lorentz, et donc remettant en cause la théorie de la relativité d'Einstein. Ces théories sont effectives, ce qui veut dire qu'elles doivent représenter une approximation générique de théories plus fondamentales. Les conclusions que l'on peut en tirer sont donc plutôt robustes car elles ne dépendent pas vraiment de la forme de ces théories dont la nature exacte doit émerger à très hautes énergie, de la même façon que la forme de l'équation de la mécanique des fluides ne dépend pas de la nature atomique précise du fluide considéré à grande échelle.

Vue d'artiste montrant en haut à gauche un noyau actif de galaxies dont on pense qu'ils sont à l'origine des rayons cosmiques à très hautes énergies. Ceux-ci sont constitués de photons, de neutrinos et de protons qui entrent en collision avec les noyaux de la haute atmosphère. Ces rayons cosmiques primaires sont à l'origine des rayons cosmiques secondaires arrivant à la surface de la Terre. © 2010, Deutsches Elektronen-Synchrotron

Ramanath Cowsik est considéré comme l'un des plus importants pionniers d'une jeune science, celle des astroparticules. Sortie de l'école secondaire à 13 ans et ayant décroché un master à seulement 19 ans, il fut l'un des premiers, au début des années 1970, à proposer que les neutrinos pouvaient être suffisamment massifs pour fermer l'Univers. Plus tard, il explorera la nature de la matière noire sous l'hypothèse qu'il s'agit de neutrinos et plus généralement des wimps. On le crédite même parfois de l'introduction de ce concept en astrophysique.

Autant dire que lorsque Cowisk publie un article sur arxiv avec des collègues, explorant l'hypothèse des neutrinos transluminiques d'Opera, on a tendance à l'écouter attentivement...

Des neutrinos 10.000 fois plus énergétiques que ceux d'Opera

Les astrophysiciens se basent sur les mesures concernant les rayons cosmiques obtenues avec le détecteur géant de neutrinos en Antarctique IceCube, qui succède à Amanda.

Les neutrinos d'Opera sont des neutrinos muoniques, c'est-à-dire qu'ils sont produits en même temps que des muons à la suite de la désintégrations de pions eux-mêmes créés par la collision de protons à hautes énergies avec des noyaux d'atomes. Or c'est exactement ce qui se produit à la frontière de l'atmosphère terrestre avec des protons présents dans les rayons cosmiques à des énergies parfois bien plus hautes.

D'après les calculs des chercheurs, si des neutrinos muoniques pouvaient aller plus vite que la lumière, il faudrait en conclure que le temps de désintégration des pions devrait augmenter avec l'énergie des neutrinos muoniques. Comme ceux observés avec IceCube sont parfois 10.000 fois plus énergétiques que ceux d'Opera, cela impliquerait que le temps de désintégration des pions est tellement grand qu'ils traverseraient l'atmosphère sans se désintégrer. Ces neutrinos ne devraient donc pas être observables, à moins de violer non seulement la théorie de la relativité mais aussi les lois de la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement.

Il faut bien sûr rester très prudent. On se souvient, au début du XXe siècle, des arguments de Lorentz à propos de photographies de lointaines étoiles obtenues derrière des télescopes et qui semblaient incompatibles avec l'hypothèse des quanta de lumière d'Einstein.

Tout de même, il s'agit là d'une troisième expérience dont les résultats ne sont pas compatibles avec l'idée que des neutrinos peuvent se déplacer plus vite que la lumière. Surtout, les mesures se font avec des neutrinos à de très hautes énergies, ce qui rend plus difficile d'admettre que l'on peut réconcilier Opera et toutes les observations standards sur la physique des neutrinos en faisant intervenir des effets transluminiques d'autant plus importants que les neutrinos sont plus énergétiques.

Le mystère d'Opera reste entier...

Abonnez-vous à la lettre d'information La quotidienne : nos dernières actualités du jour.

!

Merci pour votre inscription.
Heureux de vous compter parmi nos lecteurs !

Cela vous intéressera aussi