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T2K sur la piste de l'antimatière manquante avec les neutrinos

ActualitéClassé sous :physique , neutrino , violation CP

On place beaucoup d'espoir dans l'étude fine des propriétés des neutrinos, en particulier de leurs oscillations, pour tenter de découvrir des signes d'une nouvelle physique. Contrairement à la violation CP découverte avec les quarks, celle que l'on cherche à mesurer avec les neutrinos pourrait permettre de comprendre pourquoi l'univers est très majoritairement constitué de matière, une vieille énigme de la cosmologie.

L'expérience T2K au Japon mesure l'apparition de neutrinos électroniques νe dans un faisceau de neutrinos muoniques νμ en raison des oscillations des neutrinos. Un faisceau pur de ces neutrinos part d'une source à Tokai en direction d'un détecteur situé à Kamioka et distant de 295 kilomètres. © APS, Alan Stonebrake

Le modèle standard décrivant comment les quarks et les leptons interagissent au moyen des forces nucléaire forte et électrofaible contient plusieurs paramètres libres. Il y a par exemple les masses des quarks et celles des neutrinos. On a des raisons de penser que le champ de Brout-Englert-Higgs, via des couplages de Yukawa, explique en partie l'existence de ces masses. Pour le moment, on se contente d'essayer de les mesurer aussi précisément que possible, car il n'est pas encore à la portée de l'humanité d'en dériver les valeurs au moyen d'une théorie englobant le modèle standard et la théorie de la relativité générale sous une forme unifiée.

Le modèle électrofaible contient aussi depuis les années 1970 une description de phénomènes de conversion de certains quarks en d'autres quarks. Il s'agit de la fameuse matrice de Cabibbo–Kobayashi–Maskawa (CKM). On y trouve là aussi des paramètres libres, notamment ceux fixant certaines réactions violant la fameuse symétrie CP. Cette violation est un des ingrédients essentiels postulés par le physicien Andrei Sakharov pour rendre compte du mystère de l'antimatière manquante en cosmologie. Dans le cas de la matrice CKM, l'ampleur de la violation CP mesurée est cependant insuffisante pour permettre de comprendre pourquoi et comment l'univers observable ne contient pas l'antimatière qu'il aurait dû produire en même quantité que la matière au moment du Big Bang.

De la désintégration des quarks aux oscillations des neutrinos

Il existe cependant une autre matrice ressemblant à CKM, mais qui au lieu de décrire des conversions entre quarks, décrit des conversions entre les neutrinos : la matrice de Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS). C'est elle qui gouverne les processus d'oscillation des neutrinos, dont on a fait la découverte en cherchant à résoudre l'énigme du déficit des neutrinos solaires. Ces oscillations sont possibles si l'on suppose que les neutrinos possèdent des masses. De nouveau, comme pour la matrice CKM, la matrice PMNS contient des paramètres autorisant une violation de la symétrie CP dans certaines réactions avec des neutrinos.

Shoichi Sakata (1911-1970) était un physicien des particules élémentaires japonais qui a eu pour élèves les futurs prix Nobel de physique Makoto Kobayashi et Toshihide Maskawa. Il a anticipé plusieurs aspects du modèle des quarks dans les années 1950, et il a été un des codécouvreurs du mécanisme d'oscillation des neutrinos. © Center for Theoretical Studies, Kobayashi-Maskawa Institute for the Origin of Particles and the Universe, Nagoya University

On a des raisons de penser que l'origine des masses des neutrinos ainsi que d'une éventuelle violation CP observée avec eux constitue une fenêtre fort intéressante, car à basse énergie, sur des théories de grande unification. Les célèbres Gut, rassemblant les forces électrofaible et nucléaire forte au sein d'une théorie unifiée avec un seul groupe de symétrie, font malheureusement des prédictions qui sont généralement hors de portée des accélérateurs sur Terre.

De la leptogénèse à la baryogénèse avec des neutrinos

Depuis un certain temps, on cherche donc à mesurer précisément les masses des neutrinos et la manière dont ils oscillent. On a réussi à poser, par exemple, des contraintes sur des combinaisons des carrés de ces masses, mais des mesures directes et individuelles restent problématiques. On aimerait bien également poser des contraintes sur des processus de violation CP. Il existe en effet un mécanisme capable de résoudre l'énigme de l'antimatière cosmologique en utilisant cette violation avec des neutrinos. En gros, il autoriserait l'apparition d'un excès de leptons, en l'occurrence de neutrinos sur des antineutrinos. Cette leptogénèse, comme on l'appelle, se serait produite à haute température dans l'univers primordial. On peut alors montrer qu'il existe un mécanisme contenu dans le modèle électrofaible qui conduit dans ces mêmes conditions à la conversion de cet excès de neutrinos en un excès de quarks. Ces quarks sont destinés à former plus tard les baryons de l'univers observable, à savoir les protons et les neutrons. La leptogénèse a donc conduit à une baryogénèse.

Remarquablement, les données expérimentales dont on dispose déjà nous indiquent que s'il n'est pas possible de résoudre l'énigme de l'antimatière dans le cadre du modèle standard avec la matrice CKM, il est possible de le faire avec une matrice PMNS adéquate et un minimum d'hypothèses faisant intervenir de la physique au-delà du modèle standard. Des variantes de ce scénario ont été découvertes, par exemple en utilisant de la supersymétrie, mais il n'en reste pas moins que ce scénario de leptogénèse et de baryogénèse minimales est séduisant, à l'heure où aucun signe de la supersymétrie ou d'une Gut ne s'est encore montré au LHC.

L’existence d’au moins deux neutrinos avait été proposée avant la découverte des autres neutrinos par le physicien d’origine italienne Bruno Pontecorvo (1913-1993). 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 tomba à point pour expliquer le déficit des neutrinos solaires découvert par Ray Davies. © Yuri Tumanov, JINR

T2K et la violation CP

Les membres de la collaboration T2K (Tokai to Kamioka) viennent justement de publier un article sur arxiv faisant état de leur dernière mesure d'un des paramètres de la matrice PMNS qui peut être utilisé pour estimer la violation CP avec les neutrinos. Il s'agit d'un des trois angles dits de mélange, en l'occurrence θ13. Comme on l'expliquait en détail dans un précédent article, l'expérience T2K consiste à produire un faisceau de neutrinos muoniques à Tokai puis à le faire voyager suffisamment loin, dans le cas présent jusqu'au détecteur Super-Kamiokande, 295 km plus loin, pour que le mécanisme d'oscillation des neutrinos ait conduit à une transformation significative de ces neutrinos muoniques en neutrinos électroniques. Comme on utilise en réalité des impulsions périodiques dans le faisceau, on peut faire la différence entre les neutrinos provenant aléatoirement des rayons cosmiques et ceux produits à Tokai. Cette conversion entre deux types de neutrinos est désormais encore mieux établie, puisque les physiciens confirment leurs résultats précédents.

Les contraintes les plus fortes sur la violation CP devraient venir dans un avenir proche de l'utilisation de faisceaux d'antineutrinos. T2K devrait y contribuer en collaboration avec l'expérience Nova du Fermilab, spécialement dédiée à cette question.

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