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La masse des neutrinos

Dossier - Les oscillations de neutrinos
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Le neutrino a été postulé en 1930 pour résoudre un problème majeur en physique : la conservation d’énergie. Son existence expérimentale n’a été prouvée qu’un quart de siècle plus tard. Depuis le neutrino occupe la scène avec ses nombreuses énigmes, or la détection, et donc la vérification des prédictions, en est particulièrement ardue. Cela nécessite des détecteurs très massifs. L’ultime problème résolu est celui de la masse des neutrinos : ont-ils ou n’ont-ils pas de masse ? Voyons comment la réponse est arrivée.

  
DossiersLes oscillations de neutrinos
 

Malheureusement, l'oscillation ne dépend que de la différence des masses carrées entre les deux neutrinos impliqués. En fait, puisqu'il existe trois neutrinos différents, on s'attend à une palette de trois masses, mais le phénomène d'oscillation ne pourra fixer au mieux que deux différences de masses indépendantes.

Galaxie spirale. © Skeeze, CCO
Un neutrino muonique s’est probablement transformé en neutrino tauique dans le détecteur de particules Opera et a créé un tauon (parent) qui s’est rapidement transformé en autre chose (daughter). © Opera

Néanmoins, à la suite de cette série de mesures, une image cohérente de la physique des neutrinos se dégage, avec trois neutrinos massifs dont on connaît les deux masses les plus élevées : 9 meV pour le neutrino muonique, 50 meV pour le tauique. Attention, meV signifie ici milli-eV, un milliard de fois plus petit que les MeV auxquels nous sommes habitués.

Les neutrinos, par leur caractère fantomatique, auraient pu donner l'idée de particules éternelles : ils ne se désintègrent pas, ils n'interagissent presque pas et quand ils sont produits, ils se propagent en ligne droite, à une vitesse très proche de celle de la lumière. Ils se libèrent de l'attraction terrestre, quittent en quelques dizaines de minutes le Système solaire, pour se perdre dans les espaces cosmiques. Mais ils subissent cet étrange phénomène d'oscillations qui va à l'encontre de leur immutabilité.

Les trois types de neutrinos et la cosmologie

Les trois types de neutrinos connus sont très bien différenciés. Chaque type est associé à un lepton chargé différent avec lequel il est produit et qu'il engendrera au cas très improbable d'une interaction. Les choses se compliquent quand on cherche à suivre l'évolution d'un neutrino choisi au hasard. En effet, il peut, sans crier gare, changer d'identité. Voilà encore une conséquence de l'indéterminisme quantique. Les masses trouvées semblent dérisoires devant celles affectant les autres particules de matière. Le plus lourd des trois neutrinos ne pèse que un dix millionièmes d'un électron ou un deux milliardièmes d'un proton.

Pourtant, les neutrinos rescapés du Big Bang sont tellement plus abondants que les autres particules de matière existant aujourd'hui que ces masses infinitésimales représentent, au niveau de l'univers global, une masse équivalente à celle de toutes les étoiles de toutes les galaxies. Malheureusement, ce résultat reste théorique car ces neutrinos issus du Big Bang portent une énergie si minuscule que personne ne sait comment les mettre en évidence.

La théorie leur confère une température de 1,9 kelvins, encore plus basse que les 2,7 kelvins du fond des photons cosmologiques qui proviennent de la même origine. Leur détection est un défi qui restera en ligne de mire des physiciens intéressés pendant encore bien des décennies.

En Europe aussi l'enquête sur les neutrinos avance. Une expérience située près de Rome étudie le flux de neutrinos qui lui est envoyé par un accélérateur opérant au Cern à Genève. À la production, le faisceau est constitué à 99 % de neutrinos muoniques et l'expérience vient de détecter un premier candidat prouvant la présence de neutrinos tauiques après un voyage de 730 kilomètres. C'est une preuve directe de l'oscillation. Ainsi un faisceau de neutrinos traverse toute l'Italie... sans aucun danger pour ses habitants.