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Une observation directe de l'oscillation des neutrinos grâce à Opera ?

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On sait depuis quelque temps que les neutrinos « oscillent ». En d'autres termes, ils se transforment les uns dans les autres. Cependant, les preuves, bien que solides, n'étaient qu'indirectes. L'expérience Opera au Gran Sasso, près de Rome, aurait fourni la première preuve directe en observant la transformation en neutrino tau d'un neutrino muonique produit au Cern à des centaines de kilomètres de distance.

En bleu clair, apparaît la trace très probable d'un lepton tau laissée par l'interaction d'un neutrino tau produit au Cern avec un neutron dans le détecteur Opera. Cette image montre en fait une interaction qui a eu lieu dans un volume de quelques millimètres cubes. Crédit : collaboration Opera

Pendant presque 25 ans, le neutrino est resté la particule fantomatique introduite par Wolgang Pauli et Enrico Fermi pour sauver la loi de la conservation de l'énergie et expliquer la radioactivité bêta. Ce neutrino était embarrassant et partageait bon nombre des attributs des particules de ce que l'on appelle aujourd'hui la matière noire. Il devait être sans charge et n'interagir que très faiblement avec la matière. Sa détection était donc particulièrement difficile mais c'est pourtant ce qu'ont réussi à faire Raines et Cowan en 1956.

La recette ? Elle est simple... Puisque certaines réactions produisent des neutrinos, ceux-ci doivent pouvoir être capturés dans des réactions inverses. Il suffit donc de se placer à proximité d'un réacteur nucléaire produisant un flux important de neutrinos et de vérifier que certains des noyaux qui doivent pouvoir être modifiés par l'absorption de neutrinos le sont effectivement.

L'histoire ne s'arrêta pas là car on ne tarda pas à découvrir l'existence de deux autres types de neutrinos. Le premier était associé à l'électron mais tout comme il existe deux cousins de l'électron, des leptons plus lourds, le muon et la tauon, encore appelé tau, il existe des neutrinos muonique et tauonique, intervenant dans les réactions dites faibles entre les particules élémentaires. A l'origine de leur découverte on trouve la mise au point de faisceaux de neutrinos et les noms de Léon Lederman et Jack Steinberger pour le muon et le neutrino muonique, et enfin de Martin Perl pour le tau. Perl et Reines recevront d'ailleurs le prix Nobel de physique pour ces travaux. Notons tout de même que le neutrino tau lui-même n'a été observé directement pour la première fois qu'en 2000 avec l'expérience Donut.

Le physicien Bruno Pontecorvo, un ancien élève de Fermi, un des pères de la théorie du neutrino. Crédit : Samoil Bilenky-John Bahcall

En fait l'existence d'au moins deux neutrinos avait été proposée avant la découverte des autres neutrinos par le physicien d'origine italienne Bruno Pontecorvo. Celui-ci était même allé beaucoup plus loin puisqu'il avait émis l'hypothèse que si les neutrinos possédaient une faible masse, ils pouvaient osciller en se transformant les uns dans les autres au cours du temps. Cette hypothèse d'oscillation des neutrinos tombait à point pour expliquer le déficit des neutrinos solaires découvert par Ray Davies.

Selon la théorie de la structure interne du Soleil, il devrait émettre un flux bien déterminé de neutrinos. Or, sur Terre, les expériences destinées à le détecter montrait un déficit important. Soit le cœur du Soleil ne fonctionnait pas comme on le pensait, soit au cours de leur trajet vers la Terre, les neutrinos électroniques se transformaient pour devenir d'autres neutrinos, échappant donc à la détection sur Terre puisque seuls les neutrinos électroniques étaient recherchés.

Cette dernière hypothèse fut vérifiée indirectement en observant précisément les caractéristiques du déficit en neutrinos solaires avec le détecteur Super-Kamiokande en 1998. Restait à la vérifier directement.

Le faisceau de neutrinos voyage sous la surface de la Terre du Cern au Gran sasso où il atteint le détecteur Opera. Crédit : Cern

Pour cela, les physiciens ont lancé l'expérience Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus (Opera). Elle consiste tout d'abord à produire un faisceau de neutrinos muoniques au Cern. On accélère des protons pour les faire entrer en collision avec les noyaux de carbone d'une cible en graphite. Des mésons pi et K sont produits qui se désintègrent rapidement en muons et neutrinos muoniques. Insensibles au champ magnétique de la Terre les neutrinos muoniques voyagent alors en ligne droite sous la croûte terrestre en direction du détecteur d'Opera, situé sous le Gran Sasso, un massif des Apennins près de Rome.

Durant les 2,5 millisecondes de leur parcours d'environ 730 kilomètres, une partie des neutrinos muoniques oscillent et deviennent des neutrinos tau. Ces particules entrent alors en collision avec les neutrons des noyaux de plomb des 150.000 unités de détection d'Opera, protégé du bruit de fond des rayons cosmiques par son enfouissement. Des particules tau avec un spectre en énergie bien précis peuvent alors être créées.

Après trois ans d'enregistrements et des milliards de milliards de neutrinos muoniques produits par le Cern, les chercheurs ont fini par observer une réaction convaincante avec l'apparition d'une particule tau ayant les caractéristiques désirées pour découler du phénomène d'oscillation des neutrinos. C'est pourquoi ils annoncent aujourd'hui la mise en évidence directe probable de ce phénomène.

Si elle se confirme, cette découverte est importante, ouvrant peut-être une fenêtre d'observation sur de la physique au-delà du modèle standard. Ce dernier est en effet muet sur les masses des neutrinos et leurs oscillations...

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