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T2K confirme directement l'oscillation des neutrinos

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Le phénomène d'oscillation des neutrinos n'a été démontré qu'en 1998 grâce au détecteur japonais Super-Kamiokande. La démonstration était indirecte, et on a tenté de le mesurer directement depuis lors. C'est ce qui vient d'être fait de façon incontestable pour la première fois grâce à l'expérience T2K. Expliquant le déficit en neutrinos solaires, ce phénomène pourrait aider à comprendre où est passée l'antimatière manquante de l'univers observable.

Schéma du phénomène d'oscillation des neutrinos. Les neutrinos électroniques (en haut à gauche), muoniques et tauiques (en bas) peuvent se convertir périodiquement les uns dans les autres. Ce phénomène est décrit par des équations qui dépendent d'une physique au-delà du modèle standard. Son étude directe pourrait donc apporter des informations précieuses pour aller au-delà de la physique et de la cosmologie actuelles. © T2K Collaboration, 2013

Pendant presque 25 ans, le neutrino est resté la particule fantomatique introduite par Wolfgang 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 nombre d'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 devrait donc s'avérer particulièrement difficile : c'est pourtant ce qu'ont réussi à faire Frederick Raines et Clyde 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 peuvent être modifiés par l'absorption de neutrinos le sont effectivement.

Trois types de neutrinos et une énigme au cœur du Soleil

Des années plus tard, on découvrit l'existence de deux autres types de neutrinos. Le premier était associé à l'électron. Mais ainsi qu'il existe deux cousins de l'électron, des leptons plus lourds, le muon et le tauon, encore appelé tau, il existe des neutrinos muoniques et tauiques, intervenant dans les réactions dites faibles entre les particules élémentaires. À l'origine de leur découverte, on trouve la mise au point de faisceaux de neutrinos et les noms de Leon Lederman et Jack Steinberger pour le muon et le neutrino muonique, et enfin de Martin Perl pour le tau. Frederick Reines et Martin Perl 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, ancien élève de Fermi, est l’un des pères de la théorie du neutrino. Il a figuré parmi les premiers à supposer que les neutrinos pouvaient se convertir périodiquement les uns dans les autres. © Samoil Bilenky, John Bahcall

En réalité, 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 Raymond Davies.

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

La seconde hypothèse fut vérifiée indirectement en observant précisément les caractéristiques du déficit en neutrinos solaires avec le détecteur Super-Kamiokande, en 1998. On cherche depuis à la vérifier directement.

De Tokai à Kamioka, des neutrinos muoniques à travers 295 km de roches

À ce jour, la vérification directe incontestablement la plus solide est celle de la collaboration T2K (Tokai to Kamioka), puisqu'elle établit la réalité du phénomène d'oscillations entre des neutrinos muoniques et électroniques avec un niveau de signifiance de 7,5 sigma. Rappelons que T2K est une expérience de physique des particules située au Japon, à laquelle collaborent de nombreux pays. Ses membres viennent de mettre récemment sur arxiv un article détaillant les résultats des expériences qu'ils ont menées pour vérifier et mesurer directement le phénomène d'oscillation des neutrinos.

Il s'agissait initialement de produire des faisceaux de neutrinos muoniques aux caractéristiques bien définies grâce à des faisceaux de protons accélérés par le synchrotron J-Parc, situé à Tokai. Ces faisceaux de neutrinos voyagent ensuite en direction du détecteur Super-Kamiokande, à une distance de 295 km (d'où la dénomination Tokai to Kamioka). Pour une telle distance, la théorie des oscillations des neutrinos prédit que l'on doit observer des flux de neutrinos électroniques avec des caractéristiques reliées à celles des faisceaux de neutrinos muoniques produits à Tokai.

On voit sur cette carte les localisations du détecteur Super-Kamiokande et du synchrotron à protons J-Parc de Tokai. Pour tester les théories sur l'oscillation des neutrinos, on a envoyé des faisceaux de neutrinos muoniques produits à Tokai à travers 295 km de roches en direction de Super-Kamiokande. © T2K Collaboration, 2013

Plus grand détecteur de neutrinos souterrain au monde

Pour produire des faisceaux de neutrinos, les protons du synchrotron J-Parc frappent une cible composée de barres de graphite, et produisent ainsi un grand nombre de pions chargés positivement. Focalisés par des champs magnétiques, les pions se désintègrent ensuite en muons et neutrinos muoniques dans un tunnel de 100 mètres de long. Les muons et des pions restants sont arrêtés par une seconde couche de graphite, tandis que les neutrinos muoniques, très pénétrants, la traversent et entreprennent leur voyage vers Super-Kamiokande. C'est le plus grand détecteur de neutrinos souterrain au monde. Il est situé à 1.000 m sous terre, dans la mine Kamioka à Hida.

Super-Kamiokande se compose d'un grand cylindre de 39,3 m de diamètre pour 41 m de haut, qui contient 50.000 tonnes d'eau ultrapure. Les parois intérieures du cylindre sont couvertes d'environ 11.200 tubes photomultiplicateurs pour détecter de la lumière Cerenkov. Elle est émise quand une particule chargée se déplace plus vite que la vitesse de la lumière dans l'eau (elle vaut les trois quarts de sa vitesse dans le vide).

Lorsqu'un neutrino électronique interagit avec un neutron dans un noyau au sein d'une molécule d'eau, il provoque sa transformation en proton et l'émission d'un électron, lequel produit ensuite de la lumière Cerenkov. La mesure des caractéristiques de cette lumière permet de remonter à celles du neutrino électronique, par exemple son énergie. C'est ainsi que l'on a pu s'assurer que l'on détectait bien les neutrinos électroniques produits par oscillation dans les faisceaux de neutrinos muoniques partis de Tokai.

Clé pour résoudre l'énigme de l'antimatière cosmologique

Cette confirmation directe de l'oscillation des neutrinos n'est qu'un prélude à d'autres découvertes, selon les chercheurs. En effet, il est prévu de multiplier par dix la quantité de données exploitables avec l'expérience T2K. On prévoit d'utiliser aussi des faisceaux d'antineutrinos et de chercher des traces de violation de la symétrie CP avec les faisceaux de neutrinos et d'antineutrinos.

La violation de la symétrie CP n'a jusqu'ici été étudiée qu'avec des quarks et les hadrons dont ils sont composés. Les neutrinos et leurs antiparticules pourraient constituer une fenêtre précieuse sur ce phénomène, qui renvoie à une physique au-delà du modèle standard. Surtout, la violation de la symétrie CP est un ingrédient essentiel pour tenter de résoudre l'énigme de l'antimatière cosmologique.