Les neutrinos sont peut-être la plus déroutante des particules connues. Ils bafouent simplement toutes les règles connues sur le comportement des particules. Ils se moquent de nos détecteurs de fantaisie. Comme les chats cosmiques, ils se déplacent dans tout l'univers sans souci ni souci, interagissant occasionnellement avec le reste d'entre nous, mais vraiment seulement quand ils en ont envie, ce qui n'est honnêtement pas si souvent.
Le plus frustrant de tous, ils portent des masques et ne se ressemblent jamais deux fois.
Mais une nouvelle expérience nous a peut-être rapprochés d'un peu plus de la suppression de ces masques. Révéler la véritable identité des neutrinos pourrait aider à répondre à des questions de longue date, comme si les neutrinos sont leurs propres partenaires en matière d'antimatière, et cela pourrait même aider à unifier les forces de la nature en une seule théorie cohérente.
Un énorme problème
Les neutrinos sont bizarres. Il existe trois types: le neutrino électronique, le neutrino muon et le neutrino tau. (Il y a aussi les versions antiparticules de ces trois, mais ce n'est pas une grande partie de cette histoire.) Ils sont ainsi nommés parce que ces trois types arrivent à faire la fête avec trois types de particules différents. Les neutrinos électroniques rejoignent les interactions impliquant des électrons. Les neutrinos de muons sont associés à des muons. Aucun point ne sera attribué pour avoir deviné avec quoi interagit le neutrino tau.
Jusqu'à présent, ce n'est pas bizarre du tout. Voici la partie étrange.
Pour les particules qui sont ne pas neutrinos - comme les électrons, les muons et les particules de tau - ce que vous voyez est ce que vous obtenez. Ces particules sont toutes exactement les mêmes, à l'exception de leurs masses. Si vous repérez une particule avec la masse d'un électron, elle se comportera exactement comme un électron devrait se comporter, et il en va de même pour le muon et le tau. De plus, une fois que vous apercevez un électron, ce sera toujours un électron. Ni plus ni moins. Idem pour le muon et le tau.
Mais il n'en va pas de même pour leurs cousins, les neutrinos à électrons, muons et tau.
Ce que nous appelons, disons, le "neutrino tau" n'est pas toujours le neutrino tau. Il peut changer son identité. Il peut devenir, en plein vol, un neutrino électronique ou muon.
Ce phénomène étrange auquel personne ne s'attendait, s'appelle l'oscillation des neutrinos. Cela signifie, entre autres, que vous pouvez créer un neutrino électronique et l'envoyer en cadeau à votre meilleur ami. Mais au moment où ils l'obtiennent, ils peuvent être déçus de trouver un neutrino tau à la place.
Bascule
Pour des raisons techniques, l'oscillation des neutrinos ne fonctionne que s'il y a trois neutrinos avec trois masses différentes. Mais les neutrinos qui oscillent ne sont pas les neutrinos à saveur d'électrons, de muons et de tau.
Au lieu de cela, il y a trois "vrais" neutrinos, chacun avec des masses différentes mais inconnues. Un mélange distinct de ces véritables neutrinos fondamentaux crée chacune des saveurs de neutrinos que nous détectons dans nos laboratoires (électron, muon, tau). Ainsi, la masse mesurée en laboratoire est un mélange de ces véritables masses de neutrinos. Pendant ce temps, la masse de chaque vrai neutrino dans le mélange régit la fréquence à laquelle il se transforme en chacune des différentes saveurs.
Le travail des physiciens consiste maintenant à démêler toutes les relations: quelles sont les masses de ces véritables neutrinos et comment se mélangent-ils pour créer les trois saveurs?
Ainsi, les physiciens sont à la recherche de découvrir les masses des "vrais" neutrinos en regardant quand et à quelle fréquence ils changent de saveur. Encore une fois, le jargon de la physique est très inutile pour l'expliquer, car les noms de ces trois neutrinos sont simplement m1, m2 et m3.
Une variété d'expériences minutieuses ont enseigné aux scientifiques certaines choses sur les masses des vrais neutrinos, au moins indirectement. Par exemple, nous connaissons certaines des relations entre le carré des masses. Mais nous ne savons pas exactement combien pèsent les véritables neutrinos, et nous ne savons pas lesquels sont plus lourds.
Il se pourrait que le m3 soit le plus lourd, dépassant de loin le m2 et le m1. C'est ce qu'on appelle "l'ordre normal" car cela semble assez normal - et ce sont les physiciens ordonnateurs qui ont essentiellement deviné il y a des décennies. Mais sur la base de notre état actuel des connaissances, il se pourrait également que m2 soit le neutrino le plus lourd, avec m1 pas loin derrière et m3 chétif en comparaison. Ce scénario est appelé «ordre inversé», car cela signifie que nous avons d'abord deviné le mauvais ordre.
Bien sûr, il existe des camps de théoriciens qui aspirent à ce que chacun de ces scénarios soit vrai. Les théories qui tentent d'unifier toutes (ou au moins la plupart) des forces de la nature sous un même toit appellent généralement un ordre normal de masse des neutrinos. D'un autre côté, l'ordre des masses inversées est nécessaire pour que le neutrino soit son propre jumeau antiparticule. Et si c'était vrai, cela pourrait aider à expliquer pourquoi il y a plus de matière que d'antimatière dans l'univers.
Entraînement DeepCore
Qu'est-ce que c'est: normal ou inversé? C'est l'une des plus grandes questions issues des deux dernières décennies de recherche sur les neutrinos, et c'est exactement le genre de question à laquelle l'énorme Observatoire des neutrinos IceCube a été conçu pour répondre. Situé au pôle Sud, l'observatoire se compose de dizaines de chaînes de détecteurs enfoncées dans la calotte glaciaire de l'Antarctique, avec un "DeepCore" central de huit chaînes de détecteurs plus efficaces capables de voir les interactions à faible énergie.
Les neutrinos parlent à peine à la matière normale, ils sont donc parfaitement capables de passer directement à travers le corps de la Terre lui-même. Et ce faisant, ils se transformeront en différentes saveurs. De temps en temps, ils frappent une molécule dans la calotte glaciaire antarctique près du détecteur IceCube, déclenchant une pluie de particules en cascade qui émettent une lumière étonnamment bleue appelée rayonnement Cherenkov. C'est cette lumière que les cordes IceCube détectent.
Dans un article récent publié sur la revue préimprimée arXiv, les scientifiques d'IceCube ont utilisé trois ans de données DeepCore pour mesurer le nombre de neutrinos de chaque type qui ont traversé la Terre. Les progrès sont lents, bien sûr, car les neutrinos sont si difficiles à attraper. Mais dans ce travail. les scientifiques rapportent une légère préférence dans les données pour une commande normale (ce qui signifierait que nous avons deviné il y a des décennies). Cependant, ils n'ont encore rien trouvé de trop concluant.
Est-ce tout ce que nous aurons? Certainement pas. IceCube se prépare bientôt pour une mise à niveau majeure, et de nouvelles expériences telles que la mise à niveau Precision IceCube Next Generation Upgrade (PINGU) et Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) se préparent également à résoudre cette question centrale. Qui savait qu'une question aussi simple au sujet de l'ordre des masses de neutrinos révélerait tant de la façon dont l'univers fonctionne? C'est dommage, ce n'est pas non plus une question facile.
Paul M. Sutter est astrophysicien à Université d'État de l'Ohio, hôte de "Demandez à un astronaute" et "Radio spatiale, "et auteur de"Votre place dans l'univers."
