Sciences

Nos électrons se désintégreront-ils un jour en neutrinos ?

ActualitéClassé sous :physique des particules , électron , photon

Et si les électrons finissaient par se désintégrer ? Les physiciens envisagent cette possibilité depuis longtemps. Si le phénomène était réel, il conduirait un jour (lointain) à la destruction des atomes de l'univers. Bien avant, il nous mettrait sur la piste d'une nouvelle physique. Le détecteur Borexino, en Italie, a tenté de surprendre cette désintégration, qui pourrait se faire sous forme de neutrinos et de photons.

Une vue de la cuve de Borexino emplie de liquide scintillateur très pur pour éviter au maximum la présence d'éléments radioactifs contribuant au bruit de fond des neutrinos. © 2012, The Trustees of Princeton University

La prédiction la plus spectaculaire de la première Théorie de Grande Unification (GUT), combinant au sein d'une seule force les interactions électrofaible et forte, prévoyait la désintégration du proton. Basée sur le groupe de symétrie de jauge SU(5), la théorie de Howard Georgi et Sheldon Glashow avait été avancée en 1974. Elle prévoyait la violation d'une loi de conservation, celle du nombre baryonique, un analogue de la charge électrique. Cette théorie permettait aussi de résoudre l'énigme cosmologique de l'antimatière. Il n'est donc guère étonnant que deux des pionniers de la physique des astroparticules, Lev Okun et Yakov Zel'dovich, aient étudié dès 1978 la possibilité d'une désintégration de l'électron et donc d'une non conservation de la charge électrique.

Pour ne pas violer d'autres lois de conservation, les électrons doivent notamment se désintégrer en particules moins massives que lui, des neutrinos et des photons dans l'hypothèse la plus simple. D'ailleurs, les autres leptons connus, le tauon et le muon, peuvent également se désintégrer en donnant des neutrinos. Il n'a donc pas échappé aux physiciens que des détecteurs de neutrinos comme Borexino, situé sous la montagne du Gran Sasso en Italie, pourraient mettre en évidence une possible désintégration des électrons, ou pour le moins poser des contraintes sur leur temps de vie.

Voilà plus d'un siècle, Joseph John Thomson (1856-1940) découvrait l'électron et en mesurait la masse. D'ailleurs, bien avant Robert Brout, François Englert et Peter Higgs, les théoriciens de l'époque, comme Lorentz et Poincaré, avaient déjà entrepris de calculer la masse de l'électron. © Cavendish Laboratory, université de Cambridge

Les électrons des atomes peuvent durer au moins 1028 ans

Une démarche inverse avait d'ailleurs été suivie pour le proton. Le détecteur japonais dédié à l'étude de sa désintégration, Kamiokande pour Kamioka Nucleon Decay Experiment, ne l'a pas découverte mais a par la suite servi à mettre en évidence le phénomène d'oscillation des neutrinos dans le flux provenant du Soleil.

La théorie de Georgi-Glashow prédisait qu'un proton doit se désintégrer en un positron et un méson π avec une durée de vie d'environ 1031 années (ce qui signifie à peu près 1 désintégration par année dans un échantillon de 1031 protons, soit quelques centaines de tonnes de fer par exemple), mais elle a finalement été réfutée. Des versions plus compliquées de GUT restent en lice. D'autres expériences sur la désintégration du proton ont finalement permis de lui attribuer une durée de vie d'au moins 5,9 × 1033 ans.

Aujourd'hui, dans le cadre de la quête de signes d'une nouvelle physique, les physiciens de Borexino ont déposé sur arXiv le bilan de leur chasse à la désintégration des électrons, qui a duré 408 jours. Conclusion : les théories qui prédiraient un temps de vie inférieur à 6,6 × 1028 années ne sont maintenant plus crédibles. Une hypothétique désintégration des électrons reste donc pour le moment insaisissable, mais les contraintes sur ce phénomène ont maintenant été améliorées de deux ordres de grandeur, soit un facteur 100.

Cela vous intéressera aussi