IceCube en Antarctique. © Felipe Pedreros, IceCube/NSF
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Neutrinos et trous noirs : IceCube vérifie l'existence de la résonance Glashow prédite il y a 60 ans

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[EN VIDÉO] IceCube : quand une station en Antarctique détecte des neutrinos issus d'un drame cosmique  Grâce à l'expérience IceCube, des chercheurs ont pu détecter des neutrinos issus d'un tidal disruption event – la dévoration d'une étoile par un trou noir. © Futura 

Prédite il y a plus de 60 ans par le prix Nobel de physique Sheldon Glashow alors qu'il était sur la piste de la théorie électrofaible unifiant électromagnétisme et radioactivité, la résonance Glashow a enfin été vérifiée avec un antineutrino dans le détecteur IceCube. Elle ouvre une nouvelle fenêtre sur la physique des quasars.

Pendant la première moitié du XXe siècle, les physiciens ont fait une impressionnante plongée dans le monde quantique qui les a conduits de l'atome au noyau. Ces territoires étant suffisamment explorés et compris, mais recelant encore bien des mystères, ils ont pu alors débuter un nouveau voyage en quête d'un dévoilement de l'Arkhè de la matière et des forces en continuant d'appliquer le programme tracé par Platon, Descartes, Galilée et Newton.

Au cours des années 1950, il s'agit donc clairement de comprendre les particules élémentaires, c'est-à-dire l'origine des propriétés des protons et des neutrons. Une nouvelle science nécessitant de nouveaux instruments, la mise en service des premiers grands accélérateurs de particules va ouvrir une ère dont nous ne sommes pas sortis. L'étude des mésons π responsables des forces nucléaires fortes à courte portée entre nucléons, et de la radioactivité bêta impliquée dans les réactions nucléaires entre ces nucléons et qui font briller le Soleil avec le cycle proton-proton et partiellement CNO, est alors à l'ordre du jour. Cela va conduire à la découverte de plusieurs neutrinos et leptons ainsi qu'à un déluge de nouveaux hadrons qui vont défier pendant presque 20 ans la sagacité des théoriciens jusqu'à la découverte de la théorie des quarks et des équations de la QCD.

Le prix Nobel Sheldon Glashow dans le célèbre amphi du Cern en 1979. © Cern PhotoLab

De nouveaux bosons pour une théorie unifiée

Or, vers la fin des années 1950, plusieurs théoriciens sont sur la piste d'une théorie des forces nucléaires faibles responsables de la radioactivité bêta qui va au-delà de la théorie proposée par Fermi au cours des années 1930 -- une introduction simple aussi bien à la théorie quantique qu'à la théorie de Fermi peut se trouver dans le livre du prix Nobel Max Born, une lecture indispensable pour tout étudiant de la physique moderne. Le prix Nobel T.D Lee a expliqué que lui et Fermi lui-même avaient déjà pressenti cette théorie dès 1948, qu'ils pensaient même décrire une force universelle, pas limitée à la radioactivité. Mais elle ne pourra naître qu'avec les découvertes de Feynman, Gell-Mann, Sudarshan et Marshak ; plusieurs autres noms de la physique avaient également en tête à ce moment-là des idées plus ou moins similaires.

Cette nouvelle théorie en gestation conduit finalement à introduire des cousins du photon neutre de la force électromagnétique et des pions chargés de Yukawa, des bosons vecteurs de la force forte entre les nucléons. Or, dès 1956, le prix Nobel Julian Schwinger estime qu'il est possible d'aller encore plus loin et que, tout comme les forces électriques et magnétiques sont deux aspects d'une même force, la force nucléaire faible universelle de Lee et Fermi faisant aussi se désintégrer les muons en neutrinos, et la force électromagnétique sont probablement unifiables grâce, là aussi, à de nouveaux cousins du photons. Schwinger lance sur cette piste un de ses étudiants en thèse, Sheldon Glashow, qui va effectivement poser les bases de la théorie électrofaible ; elle sera développée par Weinberg et Salam en 1967 grâce aux travaux de Higgs, Brout et Englert et vaudra à ces physiciens des prix Nobel en 1979 et 2013.

En 1982, au Cern, une équipe de physiciens, dirigée par l’Italien Carlo Rubbia, réalise une des plus extraordinaires expériences de la physique contemporaine. L'objectif est de prouver l'existence de deux nouvelles particules subatomiques, les bosons W et Z, et de confirmer ainsi la théorie électrofaible proposée dans les années 1960 par Abdus Salam, Shelton Glashow et Steven Weinberg. © Cern, BBC Open University, YouTube

Des antineutrinos cosmiques en collision

Glashow introduit donc bien des nouveaux bosons, ceux que l'on va appeler à la suite de T.D Lee des bosons W (pour weak c'est à dire faible en anglais), et qui portent la même charge électrique qu'un électron ou un positron. Les bosons W seront finalement observés au Cern en 1983 avec d'autres bosons prédits par la théorie de Glashow-Salam-Weinberg, les bosons Z qui, eux, sont neutres.

Mais, bien avant cela, Glashow, en bon physicien, a envisagé un moyen de tester sa nouvelle théorie des forces nucléaires faibles en 1959. Les bosons W sont très instables, difficiles à créer en laboratoire mais la nature pouvait nous faciliter la tâche car on savait déjà à cette époque que le cosmos se comportait comme un accélérateur de particules naturel, capable de produire des rayons cosmiques à des énergies parfois impossibles à atteindre en laboratoire sur Terre.

Glashow se rend compte que des antineutrinos dans ces rayons cosmiques possédant la bonne énergie pouvaient conduire à un phénomène bien connu en théorie quantique, une réaction de production de particules, en l'occurrence des bosons W-, chargées négativement, via ce que l'on appelle une résonance à l'occasion de collisions avec des électrons.

Pour faire simple, concernant ce concept de résonance, on peut l'expliquer en disant qu'à certaines énergies, du fait du caractère ondulatoire de la matière, il apparaît une brusque augmentation dans les taux de réaction entre certaines particules, de la même façon qu'en se baladant sur les fréquences radio, on peut brutalement tomber sur une région où se trouve une station. Cette résonance peut être interprétée en physique des particules, ou en physique nucléaire, comme la création transitoire d'un état excité ou d'une vraie nouvelle particule qui ne tarde pas à se désintégrer après sa formation. Pour les courageux qui voudraient creuser ces questions, ils peuvent commencer doucement avec le cours que le prix Nobel Richard Feynman a consacré à la notion de résonance en physique, puis survoler certains passages du traité d'un autre prix Nobel, Emilio Segrè.

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

Une astronomie neutrino pour les trous noirs supermassifs

L'énergie nécessaire était plus élevée que ne le croyait Glashow mais, comme il l'avait prédit, on peut la trouver dans les rayons cosmiques. Enfin, les télescopes à neutrinos géants que l'on a fini par construire sont également capables de surprendre ce qu'il est convenu d'appeler la résonance Glashow. C'est justement ce qu'annoncent les membres de la collaboration IceCube dans un article publié dans Nature.

Le 6 décembre 2016, un antineutrino doté d'une énergie de 6,3 péta-électronvolts (6.300 TeV), possédant donc assez d'énergie pour créer plus de 6 millions de protons, est entré en collision avec un des électrons des molécules d'eau composant la glace du pôle Sud où se trouve IceCube. Il a produit un signal qui est exactement celui attendu avec la résonance Glashow, à savoir un antineutrino qui entre en collision avec un électron, poursuit son chemin après avoir transformé l'électron en muon négativement chargé.

« Quand Glashow était post-doctorant à l'institut Niels Bohr, il n'aurait jamais pu imaginer que sa proposition non conventionnelle de produire le boson W- serait réalisée par un antineutrino d'une galaxie lointaine venu s'écraser sur la glace de l'Antarctique », commente au sujet de cette découverte Francis Halzen (que l'on peut voir dans la vidéo ci-dessus), professeur de physique à l'université du Wisconsin et chercheur principal d'IceCube, bien connu pour son introduction aux diagrammes de Feynman du modèle standard : Quarks And Leptons.

Surtout, les spécialistes des astroparticules, qui veulent utiliser les neutrinos pour sonder les mystères des noyaux actifs de galaxies que sont les quasars générés par les trous noirs supermassifs, disposent désormais d'un nouveau messager porteur d'informations. En effet, les prochaines générations de détecteurs de neutrinos vont découvrir d'autres résonance Glashow ; or tout indique que les neutrinos à hautes énergies viennent bien de ces noyaux actifs comme le soutiennent les physiciens russes du MIPT.

Un schéma montrant le voyage d'un antineutrino, né à proximité d'un trou noir supermassif dans une galaxie lointaine, et entrant plus tard en collision avec un électron d'un atome dans la glace du détecteur IceCube sur Terre, produisant une résonance Glashow. © IceCube Collaboration

« Les mesures précédentes n'étant pas sensibles à des différences entre les neutrinos et les antineutrinos, ce résultat est la première mesure directe de la composante formée d'antineutrinos du flux astrophysique de neutrinos », précise Lu Lu, l'un des principaux auteurs de la découverte et postdoc à l'université de Chiba au Japon. « Il existe un certain nombre de propriétés des sources de neutrinos astrophysiques que nous ne pouvons pas mesurer, comme la taille physique de l'accélérateur et la force du champ magnétique dans la région d'accélération », explique Tianlu Yuan, assistant scientifique au Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center, un autre chercheur impliqué dans la découverte de la résonance Glashow. Et d'ajouter : « Si nous pouvons déterminer le rapport neutrino-antineutrino, nous pouvons directement étudier ces propriétés ».

Pour en savoir plus

Neutrinos transluminiques : IceCube pose une nouvelle contrainte

Article de Laurent Sacco publié le 25/07/2018

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.


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-SynchrotronRamanath 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'OperaLes 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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