Les neutrinos sont des particules subatomiques insaisissables créées dans une grande variété de processus nucléaires. Leur nom, qui signifie « petit neutre », fait référence au fait qu’ils ne portent aucune charge électrique. Sur les quatre forces fondamentales de l’univers, les neutrinos n’interagissent qu’avec deux d’entre elles : la gravité et la force faible, qui est responsable de la désintégration radioactive des atomes. N’ayant pratiquement aucune masse, ils filent à travers le cosmos à la vitesse de la lumière.
D’innombrables neutrinos sont apparus quelques fractions de seconde après le Big Bang. Et de nouveaux neutrinos sont créés en permanence : dans le cœur nucléaire des étoiles, dans les accélérateurs de particules et les réacteurs atomiques sur Terre, lors de l’effondrement explosif des supernovas et lors de la désintégration des éléments radioactifs. Cela signifie qu’il y a, en moyenne, 1 milliard de fois plus de neutrinos que de protons dans l’univers, selon le physicien Karsten Heeger de l’université Yale à New Haven, dans le Connecticut.
Malgré leur omniprésence, les neutrinos restent en grande partie un mystère pour les physiciens, car ces particules sont si difficiles à attraper. Les neutrinos traversent la plupart des matières comme s’il s’agissait de rayons lumineux passant à travers une fenêtre transparente, interagissant à peine avec tout ce qui existe. Environ 100 milliards de neutrinos traversent chaque centimètre carré de votre corps en ce moment, bien que vous ne ressentiez rien.
Découverte des particules invisibles
Les neutrinos ont d’abord été posés comme la réponse à une énigme scientifique. À la fin du XIXe siècle, les chercheurs étaient perplexes face à un phénomène connu sous le nom de désintégration bêta, dans lequel le noyau à l’intérieur d’un atome émet spontanément un électron. La désintégration bêta semblait violer deux lois physiques fondamentales : la conservation de l’énergie et la conservation de la quantité de mouvement. Dans la désintégration bêta, la configuration finale des particules semblait avoir un peu trop d’énergie, et le proton restait immobile au lieu d’être frappé dans la direction opposée de l’électron. Ce n’est qu’en 1930 que le physicien Wolfgang Pauli a proposé l’idée qu’une particule supplémentaire pourrait s’envoler du noyau, emportant avec elle l’énergie et la quantité de mouvement manquantes.
« J’ai fait une chose terrible. J’ai postulé une particule qui ne peut pas être détectée », a déclaré Pauli à un ami, faisant référence au fait que son neutrino hypothétique était si fantomatique qu’il n’interagirait presque pas avec quoi que ce soit et n’aurait que peu ou pas de masse.
Plus d’un quart de siècle plus tard, les physiciens Clyde Cowan et Frederick Reines ont construit un détecteur de neutrinos et l’ont placé à l’extérieur du réacteur nucléaire de la centrale atomique de Savannah River en Caroline du Sud. Leur expérience réussit à capter quelques-uns des centaines de billions de neutrinos qui s’échappaient du réacteur, et Cowan et Reines envoyèrent fièrement un télégramme à Pauli pour l’informer de leur confirmation. Reines remportera le prix Nobel de physique en 1995 – à ce moment-là, Cowan était mort.
Mais depuis, les neutrinos n’ont cessé de défier les attentes des scientifiques.
Le soleil produit des quantités colossales de neutrinos qui bombardent la Terre. Au milieu du 20e siècle, les chercheurs ont construit des détecteurs pour rechercher ces neutrinos, mais leurs expériences n’ont cessé de montrer une anomalie, ne détectant qu’environ un tiers des neutrinos prévus. Soit quelque chose clochait dans les modèles de soleil des astronomes, soit il se passait quelque chose d’étrange.
Les physiciens ont fini par comprendre que les neutrinos existent probablement en trois saveurs, ou types, différents. Le neutrino ordinaire est appelé neutrino électronique, mais deux autres saveurs existent également : un neutrino muon et un neutrino tau. Lorsqu’ils traversent la distance entre le soleil et notre planète, les neutrinos oscillent entre ces trois types, ce qui explique pourquoi ces premières expériences – qui n’avaient été conçues que pour rechercher une seule saveur – ne cessaient de manquer les deux tiers de leur nombre total.
Mais seules les particules qui ont une masse peuvent subir cette oscillation, ce qui contredit les idées antérieures selon lesquelles les neutrinos étaient sans masse. Bien que les scientifiques ne connaissent toujours pas les masses exactes des trois neutrinos, les expériences ont déterminé que le plus lourd d’entre eux doit être au moins 0,0000059 fois plus petit que la masse de l’électron.
Nouvelles règles pour les neutrinos ?
En 2011, les chercheurs de l’expérience OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) en Italie ont fait sensation dans le monde entier en annonçant qu’ils avaient détecté des neutrinos voyageant plus vite que la vitesse de la lumière – une entreprise supposée impossible. Bien que largement relayés par les médias, ces résultats ont été accueillis avec beaucoup de scepticisme par la communauté scientifique. Moins d’un an plus tard, les physiciens ont réalisé qu’un câblage défectueux avait imité une découverte plus rapide que la lumière, et les neutrinos sont retournés dans le domaine des particules cosmiquement respectueuses des lois.
Mais les scientifiques ont encore beaucoup à apprendre sur les neutrinos. Récemment, des chercheurs de l’expérience MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment) au Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), près de Chicago, ont apporté la preuve irréfutable qu’ils ont détecté un nouveau type de neutrino, appelé neutrino stérile. Cette découverte corrobore une anomalie observée précédemment au détecteur de neutrinos à scintillateur liquide (LSND), une expérience menée au Laboratoire national de Los Alamos, au Nouveau-Mexique. Les neutrinos stériles bouleverseraient toute la physique connue parce qu’ils ne s’intègrent pas dans ce qu’on appelle le modèle standard, un cadre qui explique presque toutes les particules et forces connues, à l’exception de la gravité.
Si les nouveaux résultats de MiniBooNE se confirment, « ce serait énorme ; cela dépasse le modèle standard ; cela nécessiterait de nouvelles particules… et un tout nouveau cadre analytique », a déclaré à Live Science la physicienne des particules Kate Scholberg de l’université Duke.