IceCube en Antarctique. © Felipe Pedreros, IceCube/NSF

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Neutrinos transluminiques : IceCube pose une nouvelle contrainte

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La théorie de la relativité restreinte est l'un des piliers de la physique théorique moderne et pourtant bien des physiciens rêvent de la prendre en défaut pour aller au-delà du modèle standard. Les oscillations des neutrinos observées dans le détecteur IceCube en Antarctique viennent pourtant de confirmer à nouveau le génie d'Einstein.

Aussi bien le modèle standard en physique des particules qu'indirectement le modèle standard en cosmologie reposent sur les principes de la théorie de la relativité restreinte et de la théorie quantique. Certains chercheurs, en quête d'une nouvelle physique, explorent des théories qui pourraient violer ces principes. Ils en tirent des prédictions que l'on peut tenter de mettre à l'épreuve de l'expérience. On a ainsi cru, il y a quelques années, que l'expérience Opera mettait en cause une symétrie fondamentale de la théorie de la relativité restreinte, l'invariance de Lorentz. En pratique, cela se traduirait, en particulier, par l'existence de particules se déplaçant plus vite que la vitesse de la lumière. En l'occurrence, des chercheurs d'Opera pensaient avoir mis en évidence des vitesses transluminiques avec les neutrinos.

Une présentation de la détection des neutrinos avec IceCube et des informations que l'on peut en tirer. 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

IceCube, l'astrophysique et la physique des neutrinos

Si tel était bien le cas, on pouvait espérer voir des effets de la violation de l'invariance de Lorentz dans les observations d'un autre détecteur : IceCube. Comme Futura l'avait expliqué dans le précédent article ci-dessous, les mesures de ce détecteur géant dans les glaces de l'Antarctique, qui a récemment aidé à préciser l'origine des rayons cosmiques à hautes énergies, n'étaient pas compatibles avec les mesures d'Opera. De fait, une erreur dans la chaîne de mesure ayant conduit à mesurer la vitesse des neutrinos de l'expérience Opera a finalement été trouvée.

L'existence de violation de l'invariance de Lorentz reste d'actualité et on pourrait peut-être l'observer en constatant une violation d'une autre symétrie en physique des hautes énergies via l'étude de l'antimatière, en l'occurrence des atomes d'antihydrogène et des antiprotons : la symétrie CPT. Le Cern est précisément engagé dans une telle quête, mais elle se poursuit aussi avec IceCube. Le détecteur a permis de poser de nouvelles bornes sur la violation de l'invariance de Lorentz avec la physique des neutrinos à hautes énergies comme le montre une récente publication sur arXiv.

Une présentation de la physique des oscillations de neutrinos étudiée 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

L'invariance de Lorentz et les oscillations de neutrinos

C'est l'étude du phénomène d'oscillation des neutrinos produit par les collisions d'autres particules présentes dans le rayonnement cosmique avec les noyaux de l'atmosphère qui a offert une fenêtre d'observation sur d'éventuelles violations de l'invariance de Lorentz dans la gamme d'énergie des neutrinos observés. Le même type de test avec ces neutrinos atmosphériques avait déjà été effectué mais avec un autre détecteur, celui de la collaboration Super-Kamiokande, comme Futura l'avait expliqué dans un autre article. Il concernait un cadre théorique ajoutant des corrections au modèle standard contenant des violations de l'invariance de Lorentz appelé en anglais Standard Model Extension (SME) et qui contient 19 paramètres ajustables. Lorsque ces paramètres sont nuls, on retombe sur le modèle standard.

L'idée de base est que les neutrinos, qui existent sous trois formes, se transforment les uns dans les autres selon des lois précises lors de leur voyage sur une distance donnée et à une énergie donnée. Parfois, un type particulier de neutrinos interagit avec un quark dans un noyau, ce qui produit un muon avec une énergie précise et une quantité de mouvement indicatrice de la direction d'origine du muon. Ce cousin lourd de l'électron provoque une sorte de « bang » électromagnétique dans la glace en émettant ce que l'on appelle de la lumière Tcherenkov. Les myriades de détecteurs de cette lumière dans IceCube permettent de mesurer ses caractéristiques et de remonter à l'énergie et à la quantité de mouvement du muon et donc aussi à celle du neutrino l'ayant produit.

Les physiciens ont détecté pendant deux ans environ 35.000 neutrinos dits muoniques de cette façon et ils ont donc pu construire une sorte de spectre du flux de ces neutrinos atmosphériques analogue à un flux de photons. Ce spectre serait déformé en proportion des valeurs de certains des paramètres du cadre SME.

Les chercheurs n'ont rien détecté de tel. L'invariance de Lorentz est peut-être violée mais aux précisions des dernières mesures avec les neutrinos dans IceCube, on n'observe pas une telle violation.

  • Il existe des extensions des équations du modèle standard de la physique des particules qui permettent de penser que dans certaines conditions le mur de la lumière ne serait pas infranchissable. En plus technique, l'invariance de Lorentz garantissant que les particules ne peuvent pas dépasser la vitesse de la lumière pourrait être violée.
  • L'étude des oscillations de neutrinos permet de poser des bornes sur cette violation et donc de sonder les fondements de la théorie de la relativité restreinte.
  • La théorie d'Einstein vient de passer victorieusement un nouveau test avec ces oscillations, repoussant les limites de sa validité, grâce au détecteur IceCube en Antarctique.
Pour en savoir plus

Neutrinos transluminiques : le coup de froid d'IceCube

Article de Laurent Sacco publié le 27/12/2011

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.

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...

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