Sections

Les physiciens à l'assaut des neutrinos

Les physiciens à l'assaut des neutrinos

12.11.2018, par
Mis à jour le 20.11.2018
Vue de l'intérieur du réservoir de Super-Kamiokande, l'un des plus grands détecteurs de neutrinos au monde, installé au Japon.
Particules élémentaires atypiques, les neutrinos posent de nombreuses questions aux physiciens, qui accumulent les expériences pour y répondre. À la clé : une meilleure compréhension du fonctionnement intime de la matière, au-delà du Modèle standard de la physique des particules. Une enquête parue dans le cinquième numéro des Carnets de science, la revue du CNRS, qui vient de paraître en librairie.

Cet article est paru dans le dernier numéro de Carnets de science, la revue du CNRS, en librairie depuis le 8 novembre.
   
   
« Parmi toutes les particules élémentaires qui constituent la matière, les neutrinos sont les plus mystérieuses. Une meilleure connaissance de leurs propriétés pourrait nous ouvrir une porte sur une nouvelle physique. » Comme beaucoup de physiciens, Christine Marquet, du Centre d’études nucléaires de Bordeaux Gradignan1, ne cache pas sa fascination pour les neutrinos. Depuis que leur existence a été prédite en 1930, puis confirmée en 1956, les scientifiques ont multiplié les expériences et découvert de nombreuses propriétés de ces particules. Mais bien des questions les concernant demeurent encore aujourd’hui, dont les réponses promettent de révolutionner nos connaissances sur la matière et l’Univers.
 

Seul un neutrino sur dix milliards traversant la Terre parvient à interagir avec un atome.

Produits au cœur des étoiles lors des réactions de fusion nucléaire, ou dans l’atmosphère sous l’effet de la collision des rayons cosmiques (des particules de haute énergie venues de l’espace), les neutrinos sont à la fois très abondants mais aussi très discrets : ils interagissent si peu avec la matière qu’ils traversent tout sur leur passage. Ainsi, des milliards d’entre eux nous traversent toutes les secondes sans produire le moindre effet, et seul un neutrino sur dix milliards traversant la Terre parvient à interagir avec un atome.

Cette particularité, combinée à une masse extrêmement faible, et une charge électrique nulle, a longtemps conféré aux neutrinos une dimension insaisissable. Pour pouvoir en capturer, les physiciens ont été obligés de construire d’immenses détecteurs composés de plusieurs milliers de tonnes d’un matériau cible, un liquide la plupart du temps. Ainsi, le détecteur Super-Kamiokande au Japon, le plus grand au monde actuellement, mesure 40 mètres de haut pour 40 mètres de diamètre et contient 50 000 tonnes d’eau. La détection se fait de manière indirecte: lorsqu’un neutrino interagit avec un atome dans l’eau, des particules chargées sont produites qui à leur tour émettent de la lumière. C’est cette lumière que des milliers de capteurs enregistrent dans le réservoir.

La particule aux trois saveurs

Des neutrinos, on sait aussi qu’ils existent sous trois états différents ou trois « saveurs», comme le disent les physiciens : électronique, muonique et tauique. Et, chose étonnante, ils sont capables de passer spontanément d’une saveur à l’autre au cours de leur déplacement. Ce sont même les seules particules élémentaires douées de cette propriété,  appelée « oscillation ».

Ce phénomène a été mis en évidence par les détecteurs Super-Kamiokande en 1998 et Sudbury Neutrino Observatory (SNO) au Canada en 2001, grâce à l’observation de neutrinos en provenance de l’atmosphère pour l’un et du Soleil pour l’autre. À l’époque, on enregistrait un manque de neutrinos d’un certain type en provenance de ces deux sources par rapport à ce que prévoyait la théorie. Les résultats ont montré qu’en fait, les neutrinos ne disparaissaient pas, mais qu’ils se métamorphosaient d’un type à un autre avant d’arriver sur Terre. De nombreuses autres expériences ont suivi, dont certaines en France, qui ont toutes confirmé le phénomène. Cette fois, les détecteurs capturaient des neutrinos, non pas d’origine naturelle, mais ceux produits par les centrales nucléaires en fonctionnement normal ou ceux émis par des accélérateurs de particules. En contrôlant ainsi la source, on a pu mesurer avec plus de précision les paramètres de ces oscillations, en particulier la probabilité qu’a un neutrino de passer, à un instant donné, d’une certaine saveur à une autre.
 

Lorsque des neutrinos arrivent dans le détecteur Super-Kamiokande, ils interagissent avec l’eau du réservoir en produisant une lumière bleutée enregistrée par 11 200 photomultiplicateurs. Ici, chaque point coloré correspond à une détection, les premiers neutrinos à être détectés étant les points les plus rouges.
Lorsque des neutrinos arrivent dans le détecteur Super-Kamiokande, ils interagissent avec l’eau du réservoir en produisant une lumière bleutée enregistrée par 11 200 photomultiplicateurs. Ici, chaque point coloré correspond à une détection, les premiers neutrinos à être détectés étant les points les plus rouges.

Le résultat majeur de ces expériences est que ce transformisme des neutrinos ne peut s’expliquer que parce qu’ils ont une masse. Une énorme surprise car « d’après le Modèle standard, le cadre conceptuel qui décrit toutes les particules et leurs interactions, les neutrinos ne devaient pas en avoir. C’est une faille dans la théorie, le signe qu’il faut revoir notre modèle, ou tout du moins le compléter », note Michel Gonin, chercheur au Laboratoire Leprince-Ringuet2.

D’ores et déjà, de nombreuses extensions théoriques ont vu le jour pour tenter d’expliquer l’origine de la masse des neutrinos et comprendre pourquoi elle est aussi petite puisqu’elle fait un millionième de celle de l’électron tout au plus. Les théoriciens rivalisent ainsi d’imagination pour trouver des alternatives au mécanisme dit « du boson de Higgs », découvert au LHC en 2012, qui apporte la masse aux autres particules mais qui ne fonctionne pas pour les neutrinos. Pour pouvoir trancher entre ces différents scénarios, il faudrait notamment savoir la masse exacte du neutrino, toujours inconnue aujourd’hui. « Les expériences qui s’intéressent aux oscillations ont permis de mesurer l’écart entre les masses des trois types de neutrinos, mais pas la masse absolue de chacun d’entre eux », précise Dominique Duchesneau, du Laboratoire d’Annecy de physique des particules (Lapp)3.

Pour déterminer cette masse, les physiciens doivent s’intéresser à un autre processus : la désintégration radioactive dite « bêta » de certains noyaux atomiques, du tritium notamment. Au cours de la réaction, un neutrino et un électron sont émis, ce dernier emportant quasiment toute l’énergie issue de la transformation du noyau. Tout l’enjeu consiste alors à mesurer avec précision l’énergie de l’électron et à la comparer à l’énergie de la désintégration, la différence, infime, correspondant à la masse du neutrino. Pour le moment, aucune expérience n’a atteint un degré de précision suffisant pour mesurer cette masse, mais les physiciens travaillent d’arrache-pied pour améliorer la sensibilité de leurs instruments.

Quid des antineutrinos ?

Autre question soulevée par les neutrinos et qui menace, elle aussi, de remettre en cause le Modèle standard: le neutrino est-il sa propre antiparticule ? Les physiciens le savent bien : à chaque particule de matière, on peut associer une particule d’antimatière, image miroir de celle-ci, de même masse mais de charge électrique opposée. Ainsi, au cours de certains phénomènes, des antiélectrons, de charge positive, sont créés en même temps que des électrons, de charge négative. Mais les neutrinos étant dénués de charge électrique, la question se pose de savoir si neutrino et antineutrino ne font qu’un. Si c’était le cas, ce serait la seule particule de matière possédant une telle propriété qu’il faudrait alors expliquer.
 

De nombreuses extensions théoriques ont vu le jour pour expliquer la masse des neutrinos et comprendre pourquoi elle est aussi petite, puisqu’elle fait un millionième de celle de l’électron tout au plus..

Pour vérifier cette hypothèse, les physiciens se penchent là encore sur un processus de désintégration atomique, mais beaucoup plus rare que la radioactivité bêta: la désintégration dite « double bêta ». Cette fois, deux électrons et deux neutrinos sont émis au cours de la réaction. En réalité, les chercheurs tentent d’observer un type particulier de ce processus : une désintégration double bêta au cours de laquelle aucun neutrino ne serait émis. Paradoxalement, l’existence de ce phénomène serait la preuve incontestable que le neutrino est sa propre antiparticule. Plusieurs équipes se sont lancées dans ce défi, sans succès pour le moment. Pas de quoi décourager pour autant les physiciens qui préparent déjà la suite.

En France, par exemple, au Laboratoire souterrain de Modane, un nouveau détecteur baptisé SuperNemo, et dans lequel sont impliqués des chercheurs du CNRS, est en construction. Il prendra la relève de Nemo3, qui a fonctionné de 2003 à 2011. « Pour se donner plus de chance d’observer ces désintégrations, nous avons augmenté la taille de la source radioactive, qui passera de 10 kilos à 100 kilos dans sa version définitive. Nous avons aussi réduit considérablement la radioactivité résiduelle émise par le matériau du détecteur pour éviter qu’elle ne vienne fausser les mesures et nous avons amélioré la précision sur la mesure de l’énergie des particules à détecter », détaille Christine Marquet, porte-parole de la collaboration internationale SuperNemo.

Des neutrinos stériles

La liste des bizarreries du neutrino ne s’arrête pas là. Il y a quelques années, un déficit a été observé dans le flux de neutrinos produits par les centrales nucléaires. Pour l’expliquer, plusieurs hypothèses ont été avancées, dont l’une ne manque pas d’intriguer : la présence d’un quatrième type de neutrinos, en plus des trois autres saveurs.

Les neutrinos pourraient aussi apporter l’explication à l’un des plus grands mystères qui soit : pourquoi l’Univers est-il fait uniquement de matière, et pas d’antimatière ?

Beaucoup plus massif que les autres, ce nouveau neutrino interagirait encore moins avec la matière ordinaire, d’où son nom de neutrino « stérile ». Le déficit observé s’expliquerait ainsi par le fait que certains neutrinos se seraient transformés en neutrinos stériles, qui resteraient eux indétectables. Qui plus est, le neutrino stérile a d’autres vertus pour les théoriciens. Il pourrait intervenir dans certains mécanismes pour expliquer pourquoi les neutrinos sont si légers. Et parce qu’il est très massif, il pourrait aussi être un candidat à la matière noire, cette composante de l’Univers représentant plus de 25 % de son contenu, mais dont la nature reste inconnue.

 

Là encore, la présence d’un quatrième neutrino serait un cas unique dans le monde des particules élémentaires, confirmant encore un peu plus le rôle clé des neutrinos pour explorer de nouveaux territoires en physique. Mais la prudence reste de mise. « Une explication plus simple serait que le modèle qui décrit les processus de fission dans un réacteur et à partir duquel on calcule le flux de neutrinos présente une erreur », précise Dominique Duchesneau. Plusieurs expériences, dont Stereo en France et SoLid en Belgique, auxquelles participent des chercheurs du CNRS, regardent de près le phénomène. D’ici deux ans, elles devraient être en mesure de dire s’il faut continuer ou non à suivre la piste du neutrino stérile.

Le détecteur de neutrinos NOvA, situé à Ash River dans le Minnesota.
Le détecteur de neutrinos NOvA, situé à Ash River dans le Minnesota.

En plus de mettre à mal les fondements actuels de la physique des particules, les neutrinos pourraient aussi apporter l’explication à l’un des plus grands mystères qui soit : pourquoi l’Univers est-il fait uniquement de matière, et pas d’antimatière ? Au moment du Big Bang, en effet, des quantités égales de matière et d’antimatière auraient dû être créées, avant de s’annihiler mutuellement, dis- paraissant toutes deux dans une bouffée d’énergie. Quelque chose a donc fait pencher la balance d’un côté. Et d’après les physiciens, ce déséquilibre primordial devrait se manifester par un comportement différent entre les particules de matière et les particules d’antimatière, ce qu’on appelle la « violation de la symétrie CP ». « Cette violation a déjà été observée pour les quarks, mais elle n’est pas suffisante pour expliquer le déséquilibre initial. Avec les neutrinos, ce serait différent : la mesure des oscillations nous suggère qu’ils pourraient engendrer suffisamment de violation pour nous permettre de résoudre le mystère, se réjouit Anatael Cabrera, du laboratoire Astroparticule et cosmologie4. Encore faut-il parvenir à mettre en évidence le phénomène.

C’est précisément l’objectif de deux expériences en cours : T2K au Japon et Nova aux États-Unis, qui cherchent à observer des différences dans la façon dont oscillent neutrinos et antineutrinos. Pour cela, elles envoient un faisceau de neutrinos d’une saveur particulière, des neutrinos muoniques, produits dans un accélérateur de particules sur un détecteur (Super-Kamiokande pour T2K) situé à plusieurs centaines de kilomètres (300 kilomètres pour T2K et 800 pour Nova). Les chercheurs comptent ensuite le nombre de neutrinos qui se sont transformés en neutrinos électroniques. Puis, ils répètent l’expérience avec des antineutrinos muoniques.

C’est T2K qui a produit pour le moment les résultats les plus encourageants. « La différence entre le nombre de neutrinos et d’antineutrinos que nous avons détectés va dans le sens d’une forte violation de symétrie CP. Mais les résultats ne sont pas encore assez significatifs, il pourrait seulement s’agir d’une fluctuation statistique », note Michel Gonin, membre de T2K.

Deux nouvelles expériences-phares

Pour pouvoir parler de découverte, les physiciens devront enregistrer beaucoup plus d’événements. Et pour cela, les instruments actuels ne suffiront pas. Les scientifiques l’ont bien compris et ils préparent déjà la prochaine génération d’expériences qui disposeront à la fois d’un faisceau plus intense pour produire plus de neutrinos et d’un détecteur plus grand pour en détecter davantage. Ce sera Dune, en construction aux États-Unis, et Hyper-Kamiokande au Japon, qui devrait être approuvée à la fin de l’année. Réunissant chacune un millier de chercheurs de différents pays, ce seront deux expériences-phares de la physique des particules.

Au Cern, à la frontière francosuisse près de Genève, on teste les capteurs qui équiperont le futur instrument Dune, un détecteur contenant 40 000 tonnes d’argon liquide, en construction aux États-Unis et dont le démarrage est prévu vers 2026.
Au Cern, à la frontière francosuisse près de Genève, on teste les capteurs qui équiperont le futur instrument Dune, un détecteur contenant 40 000 tonnes d’argon liquide, en construction aux États-Unis et dont le démarrage est prévu vers 2026.

Hyper-Kamiokande utilisera la même technique de détection que son prédécesseur mais avec un volume d’eau dix fois plus grand!  Quant à Dune, elle mettra en œuvre une technologie déjà utilisée auparavant, mais jamais de cette taille : un détecteur contenant 40 000 tonnes d’argon liquide. Lorsqu’un neutrino tapera sur un noyau d’argon, des particules chargées seront produites qui iront à leur tour ioniser l’argon. Les électrons créés au cours de cette ionisation seront ensuite détectés, ce qui permettra de reconstruire en trois dimensions la trajectoire des particules chargées. « La technique, qui fonctionnera à -185 °C, la température de l’argon liquide, livrera une photographie très précise du mouvement de toutes les particules, révélant ainsi la présence des neutrinos », s’enthousiasme Dario Autiero, membre de Dune à l’Institut de physique nucléaire de Lyon5.

Aux côtés de Dune et d'Hyper-Kamiokande, une troisième expérience se révélera cruciale pour mettre en évidence la violation de symétrie CP : l'expérience Juno, actuellement en construction en Chine, et à laquelle participent des chercheurs du CNRS. Avec son énorme réservoir sphérique de 35,4 mètres de diamètre rempli de 20 000 tonnes d’un liquide à base de benzène, Juno analysera les oscillations des neutrinos en provenance de deux centrales nucléaires, toutes deux situées à exactement 53 km de là. Ce sera la première expérience au monde à caractériser avec un seul et même détecteur à la fois les oscillations solaires (du même type que celles générées par les neutrinos du Soleil) et les oscillations atmosphériques (les mêmes que celles observées pour les neutrinos en provenance de l'atmosphère). A partir de 2021, si tout va bien, Juno déterminera, avec une précision encore jamais atteinte jusqu'ici les paramètres de ces oscillations. « Ces mesures aussi précises serviront de référence indispensable aux expériences suivantes pour qu'elles puissent découvrir la violation CP », commente Anatael Cabrera, responsable scientifique de Juno pour la France. Prenant le relais de Juno, Dune et Hyper-Kamiokande, dont le démarrage est prévu vers 2026, devraient alors révéler, après une dizaine d’années de mesures, la présence de la fameuse violation de symétrie. Grâce aux neutrinos, les physiciens n’ont jamais été aussi près de résoudre le mystère de l’antimatière.

 
 
------------------------------------------------

Les neutrinos, de précieux messagers cosmiques

Vue d’artiste du détecteur KM3NeT/ORCA en cours d'installation en Méditerranée, sur la nouvelle infrastructure sous-marine MEUST par 2 500 mètres de profondeur au large de Toulon.
Vue d’artiste du détecteur KM3NeT/ORCA en cours d'installation en Méditerranée, sur la nouvelle infrastructure sous-marine MEUST par 2 500 mètres de profondeur au large de Toulon.

 Les neutrinos ne servent pas seulement aux physiciens pour étudier les propriétés de la matière. Ils sont également de formidables messagers pour décrypter les événements les plus violents de l’Univers, tels que l’éjection de matière par les trous noirs super massifs, les collisions d’étoiles à neutrons ou encore l’explosion de supernovæ. N’étant ni absorbés ni déviés par le milieu intergalactique, ces neutrinos cosmiques produits lors de ces cataclysmes filent tout droit jusqu’à la Terre, et constituent ainsi les témoins directs de ces phénomènes, d’où leur grand intérêt aux yeux des astronomes. Plus rares et plus énergétiques que les neutrinos produits par le Soleil et dans l’atmosphère terrestre, ils sont aussi plus difficiles à capturer. Pour y parvenir, les scientifiques se sont lancés dans la construction de grands détecteurs, véritables télescopes à neutrinos. En France, l’instrument Antares, situé à 2 500 mètres de fond en Méditerranée, au large de Toulon, et comprenant neuf cents capteurs répartis le long de douze lignes, scrute depuis 2008 le passage de neutrinos dans l’eau sur une surface de 10 hectares. Et son successeur, baptisé KM3NeT, en cours de construction sur trois sites sous-marins différents (l’un proche d’Antares, un autre en Sicile et un dernier en Grèce), observera vers 2022 un volume de 5 kilomètres cubes ! Mais l’astronomie des neutrinos n’est pas seulement l’apanage des grands télescopes dédiés à leur observation : les futurs détecteurs de neutrinos Dune et Hyper-Kamiokande ne seront pas exclusivement réservés à la physique des particules. De par leur grande taille, ils seront aussi capables de détecter des neutrinos cosmiques et contribueront à éclairer les événements les plus violents de l’Univers.

 

A lire aussi sur CNRS le journal :

A la recherche de la particule fantôme, entretien audio avec le physicien Damien Dornic (8 juin 2018)

L'épopée des neutrinos, un point de vue des physiciens Hervé De Kerret et Anatael Cabrera (16 octobre 2015)

 

Notes
  • 1. Unité CNRS/Univ. de Bordeaux
  • 2. Unité CNRS/École polytechnique
  • 3. Unité CNRS/Univ. Savoie Mont-Blanc.
  • 4. Unité CNRS/Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives/Univ. Paris-Diderot/ Observatoire de Paris.
  • 5. Unité CNRS/Univ. Claude Bernard Lyon 1.
Aller plus loin

Partager cet article

Auteur

Julien Bourdet

Julien Bourdet, né en 1980, est journaliste scientifique indépendant. Il a notamment travaillé pour Le Figaro et pour le magazine d’astronomie Ciel et Espace. Il collabore également régulièrement avec le magazine La Recherche.

Commentaires

0 commentaire
Pour laisser votre avis sur cet article
Connectez-vous, rejoignez la communauté
du journal CNRS