Auteur : Emily Jennings
Pendant toute la scolarité et dans n’importe quel cours de physique, on dit aux élèves que rien ne voyage plus vite que la vitesse de la lumière. Cependant, cette affirmation pourrait ne plus être vraie à cause du neutrino – une particule qui pourrait être capable de transcender des dimensions que la lumière ne peut pas atteindre. Le concept du neutrino est important pour notre compréhension de l’univers, car le neutrino peut être utilisé pour déterminer la vitesse d’expansion de l’univers, ainsi que son destin ultime1.
Tout le monde a entendu parler des électrons, des protons et des neutrons, mais qu’est-ce qu’un neutrino exactement ? Un neutrino est une particule exponentiellement petite et sans charge électrique. Pour mettre en perspective la taille remarquablement petite d’un neutrino, il faut savoir que les neutrinos sont considérés comme étant un million de fois plus petits que les électrons, dont la masse est de 9,11 × 10-31 kilogrammes2. Les neutrinos sont probablement les particules les plus abondantes de l’univers et pourraient être plus communs que les photons, l’unité de base de la lumière. Comme les neutrinos sont si communs, on pense que leur masse, qui reste inconnue, a un effet sur la gravité de l’univers1. Les neutrinos peuvent traverser presque tout, et ils le font constamment. En fait, environ 400 milliards de neutrinos provenant du seul soleil traversent chaque personne sur Terre chaque seconde. Selon le physicien Frank Close, « un neutrino peut traverser une année-lumière de plomb sans rien heurter « 1. Les physiciens soupçonnent également que les neutrinos peuvent se déplacer dans des dimensions interdites à la lumière2.
Si les neutrinos sont si petits et traversent presque tout ce que nous connaissons, ainsi que des dimensions potentielles inconnues de nous, comment savons-nous que les neutrinos existent ? D’où viennent les neutrinos ? La meilleure façon de répondre à ces questions est d’examiner l’histoire de la découverte du neutrino. En 1930, Wolfgang Pauli (le père du principe d’exclusion de Pauli) a proposé l’existence du neutrino pour expliquer la conservation de l’énergie dans la désintégration radioactive bêta. La désintégration radioactive bêta se produit lorsque les protons se transforment en neutrons, comme lors de la fusion des protons près du centre du soleil. En 1930, Pauli a émis l’hypothèse que lorsque des neutrons se forment à partir de la fusion de protons, l’énergie supplémentaire est transportée par des particules légères et électriquement neutres. À l’époque, Pauli ne croyait pas que ce qu’il avait proposé était vrai ; il a déclaré : » J’ai fait une chose terrible, j’ai postulé une particule qui ne peut pas être détectée « 3.
Les neutrinos sont émis lorsque les protons sont convertis en neutrons lors de la désintégration radioactive bêta6.
En 1933, un physicien italien nommé Enrico Fermi a nommé la particule mystère de Pauli le « neutrino » et a créé une théorie quantitative pour les interactions de particules faibles impliquant le neutrino. Environ 20 ans plus tard, en 1956, deux physiciens américains, Frederick Reines et Clyde Cowan, ont annoncé qu’ils avaient détecté des neutrinos en utilisant un réacteur à fission comme source de neutrinos et un détecteur à scintillateur bien blindé4. Les neutrinos avaient enfin été détectés, mais il restait encore beaucoup à découvrir sur ces minuscules particules. La prochaine pièce du puzzle des neutrinos, qui dure depuis longtemps, est venue de Takaaki Kajita et Arthur McDonald, qui ont reçu le prix Nobel de physique de l’année dernière pour leur découverte des oscillations de neutrinos3.
Une question sur les neutrinos qui a laissé les scientifiques perplexes est de savoir pourquoi la Terre reçoit si peu de neutrinos. Les scientifiques ont calculé le nombre théorique de neutrinos produits par les réactions de fusion qui alimentent le soleil, mais lorsque le nombre de neutrinos que la Terre reçoit réellement a été mesuré, près des deux tiers de la quantité calculée manquaient3. L’idée d’oscillations de neutrinos a été proposée en 1998 par Kajita au détecteur de neutrinos de Super-Kamiokande au Japon pour expliquer la divergence du nombre de neutrinos mesurés sur Terre.
En mécanique quantique, les particules présentent des propriétés à la fois de particules ponctuelles et d’ondes, et les neutrinos ne font pas exception. Lorsque trois neutrinos différents (chacun avec une masse différente) se déplacent dans l’espace avec des ondes de fréquences différentes, on pense qu’ils sont chacun un type de neutrino différent, et sont donc chacun une « saveur » différente. » Ces trois saveurs différentes correspondent aux trois différents types de neutrinos : les neutrinos du muon, les neutrinos de l’électron et les neutrinos du tau5. Les physiciens décrivent les ondes en termes d’amplitude et de phase, et lorsque plusieurs ondes s’additionnent, leurs phases sont modifiées. Lorsque les ondes qui composent un neutrino s’additionnent, les phases ne s’annulent pas à zéro. Comme la saveur d’un neutrino dépend de sa phase, cette dernière peut changer au fil du temps. Ce phénomène s’appelle une oscillation de neutrino, la métamorphose d’un neutrino d’une saveur en un neutrino d’une saveur différente.
Kajita et McDonald ont prouvé que les oscillations de neutrino ne sont pas seulement théoriques. Kajita, qui travaillait au détecteur de neutrinos Super-Kamiokande juste à l’extérieur de Tokyo, au Japon, a découvert que le détecteur capturait certains neutrinos muoniques provenant de l’atmosphère au-dessus et d’autres de l’autre côté de la planète après que les particules aient traversé la Terre. Comme la Terre ne présente pas d’obstacle considérable aux neutrinos, un nombre égal de neutrinos aurait dû traverser la Terre et provenir directement du soleil. Or, Kajita a constaté que les neutrinos muoniques qui sont arrivés directement à Super-Kamiokande étaient plus nombreux que ceux qui avaient d’abord traversé le globe. La seule façon d’expliquer cette observation est que les neutrinos muoniques qui ont traversé la Terre se sont transformés en un autre type de neutrino, en l’occurrence le neutrino tau. À l’Observatoire de neutrinos de Sudbury, dans l’Ontario (Canada), M. McDonald a rencontré une bizarrerie similaire. Le laboratoire mesurait les neutrinos électroniques provenant directement du soleil, mais le nombre de neutrinos électroniques capturés ne représentait qu’un tiers du nombre attendu. Lorsque les laboratoires ont rassemblé leurs chiffres, ils ont découvert que le nombre de neutrinos calculé théoriquement avait en fait atteint la Terre, ce qui confirme que les neutrinos se transforment en d’autres types de neutrinos. Ainsi, les oscillations des neutrinos sont réelles !
Cette découverte et cette conclusion ont conduit à une autre conclusion révolutionnaire en physique des particules : le modèle standard, la théorie de la façon dont l’univers est fondamentalement organisé et fonctionne, n’est en fait pas entièrement développé car il exige que les neutrinos soient sans masse3,5. Or, pour que les oscillations des neutrinos soient possibles, les neutrinos doivent avoir une masse3 ! Ces conclusions ont posé de nombreuses autres questions aux physiciens des particules. Quelle est la masse d’un neutrino ? Pourquoi les neutrinos sont-ils si légers ? Enfin, que suggèrent ces conclusions sur les dimensions potentielles évoquées précédemment ? L’existence d’un neutrino ayant une masse pourrait suggérer que ces autres dimensions interdites à la lumière sont réelles et attendent d’être découvertes. S’il peut être démontré qu’un neutrino peut voyager plus vite que la vitesse de la lumière en prenant un raccourci à travers l’une des dimensions interdites, alors nous pouvons étendre la théorie de la relativité d’Einstein à ces dimensions auxquelles la lumière n’a pas accès. Les implications d’une telle application pourraient radicalement modifier notre compréhension du temps et de l’espace relatifs à la vie telle que nous la connaissons.
- Close, F. Particle physicsavery short introduction,Oxford : Oxford University Press(2004).
- Weiler, T. Neutrinos, Einstein, temps et paradoxe : Tom Weiler au TEDxNashville ,Nashville, TN(2012).
- Les caméléons de l’espace. Nobelprize.org. Récupéré de https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2015/popular-physicsprize2015.pdf(2015, 6 octobre).
- L’histoire du neutrino. Laboratoire national de l’accélérateur de Fermi. Récupéré de http://www-numi.fnal.gov/public/story.html(2015).
- Qu’est-ce qu’un neutrino ? Neutrinos et oscillations de neutrinos. Site officiel de Super-Kamiokande. Récupéré de http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/sk/neutrino-e.html (2015).
- Chaisson, E. & McMillan, S.Chapitre 16 : Le Soleil : Notre étoile mère. Dans Astronomy Today (7e éd.), Addison-Wesley (2010).