[article] dossier neutrino 3

source : la recherche n°402 - novembre 2006

Citation :: 3 Particule de matière noire

L'existence d'une classe spécifique de neutrinos, dits stériles, permettrait de résoudre de nombreuses énigmes astrophysiques. Pour certains modèles, ils pourraient même porter 23 % de l'énergie de l'Univers.
Les physiciens du Fermilab, près de Chicago, ont promis de publier cet automne les résultats de leur expérience MiniBoone [1] . Ils sont attendus avec impatience car ils pourraient trancher une controverse de presque quarante ans : existe-t-il dans l'Univers une particule inconnue appelée « neutrino stérile » ?
Le Modèle standard de la physique des particules ne mentionne pas son existence. Seuls sont prévus trois types de neutrinos, chacun étant associé à un lepton particulier (électron, muon, tau). Ces neutrinos constituent une exception dans le monde des particules. Contrairement à toutes les autres, ils ne sont observés que dans un état spécifique, dit d'hélicité gauche : leur spin pointe toujours dans la direction opposée à leur mouvement.
Quand, dans les années 1960, Sheldon Glashow, Abdus Salam et Steven Weinberg ont mis au point le Modèle standard, les neutrinos d'hélicité droite n'étaient pas évoqués, car seule une particule massive peut être représentée par deux états d'hélicité opposés. Or, d'après le Modèle standard, les neutrinos n'avaient pas de masse.
Malgré cela, en 1967, l'Italien Bruno Pontecorvo, alors en URSS, a imaginé ces neutrinos droits, en les surnommant « stériles » car, selon son hypothèse, ils interagissent encore moins que leurs congénères gauches avec la matière ordinaire à travers la force nucléaire faible [2] .
La situation est très différente de nos jours. Il a été démontré que les neutrinos ordinaires ont une masse, car seules des particules massives peuvent osciller, c'est-à-dire se transformer d'un type à l'autre. Cette oscillation a été vérifiée dans les expériences portant aussi bien sur les neutrinos que nous recevons du coeur du Soleil que ceux issus des désintégrations de particules dans l'atmosphère terrestre ou ceux provenant d'accélérateurs ou de réacteurs nucléaires. C'est l'un des meilleurs arguments en faveur de l'existence d'une physique au-delà du Modèle standard.

Modèle standard en panne

Ce n'est pas le seul. D'autres observations, provenant de la cosmologie, vont dans le même sens. Le Modèle standard n'explique ni la présence de matière noire ni l'asymétrie entre la matière et l'antimatière dans l'Univers (lire : « Retrouvera-t-on l'antimatière ? », p. 31). Aucune des particules présentes dans le Modèle ne peut rendre compte de la phase d'inflation qu'aurait connue l'Univers juste après le Big Bang, ni de l'expansion accélérée de l'espace observée actuellement.
Le Modèle standard est donc à revoir. Les neutrinos ordinaires ayant une masse, il n'y a plus de raison d'exclure a priori l'existence des neutrinos stériles. C'est pourquoi de nombreux physiciens s'interrogent sur leurs éventuelles propriétés.
Mais quand il s'agit d'estimer leurs masses, les avis divergent. Il faut dire que l'exercice n'est pas aisé, car aucun principe physique ne fixe leurs valeurs. Selon les différentes hypothèses, les masses des éventuels neutrinos stériles s'échelonnent d'une fraction d'électronvolts * à plus de 1015 milliards d'électronvolts.
Beaucoup de physiciens pensent que les masses des neutrinos stériles doivent se situer dans la partie haute des estimations, c'est-à-dire au moins 108 milliards d'électronvolts. Ils seraient alors beaucoup trop lourds pour être observés directement dans n'importe quelle expérience de physique des particules. Toutefois, ils marqueraient de leur empreinte la physique à basse énergie car, en les incluant dans les modèles, ils forceraient les neutrinos ordinaires à avoir de petites masses et à osciller, ce qu'on observe expérimentalement.
Il est aussi possible que les neutrinos stériles soient légers. Ils seraient alors produits dans différentes expériences. Cependant, leur détection serait difficile étant donné qu'ils ne possèdent pas de charge électrique et que leurs possibilités d'interactions avec la matière ordinaire sont très faibles, bien que plus importantes que leurs effets gravitationnels.

Forcément stérile

En 1995, l'expérience Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND) à Los Alamos, au Nouveau-Mexique, a annoncé avoir observé une oscillation de neutrinos en mesurant l'apparition d'antineutrinos électroniques dans un faisceau d'antineutrinos muoniques et celle de neutrinos électroniques parmi des neutrinos muoniques. Des événements si bizarres qu'en publiant leurs résultats définitifs les physiciens ont choisi de ne parler que de la première oscillation [3] . D'après eux, la différence entre les carrés des masses des neutrinos doit être de l'ordre de 1 eV2, bien loin de celle observée avec les neutrinos solaires (0,00008 eV2) ou atmosphériques (0,0025 eV2). Si le résultat de LSND est correct, cette différence de résultat implique que le détecteur de Los Alamos aurait observé au moins un type supplémentaire de neutrinos légers. Il serait forcément stérile puisque les physiciens du CERN, à Genève, ont montré qu'il n'existe que trois types de neutrinos ordinaires légers.
Depuis dix ans, la controverse bat son plein. De nombreuses expériences ont tenté de rechercher l'oscillation évoquée par LSND. Sans résultat. Seule MiniBoone est encore active sur le sujet. Mais la publication de ses résultats se fait attendre. S'ils sont positifs, il sera nécessaire de réviser nos idées sur la physique des particules. Par exemple, le neutrino stérile de LSND semble être en conflit avec le contenu de l'Univers en éléments légers. Or les modèles décrivant la nucléosynthèse primordiale prédisent correctement les différents taux d'hélium, de deutérium et de lithium produits quelques secondes après le Big Bang et observés dans l'Univers (lire : « Invisible témoin du Big Bang », p. 43). Il est en outre très difficile d'expliquer la totalité des expériences sur les neutrinos par l'ajout d'un seul neutrino stérile léger.
À l'École polytechnique fédérale de Lausanne, avec Takehiko Asaka, nous avons montré que l'existence de trois neutrinos stériles légers, aux caractéristiques différentes de celui de LSND, permet de décrire certains phénomènes que le Modèle standard n'explique pas, tels que la masse et l'oscillation des neutrinos ordinaires [4] . De plus, si deux des neutrinos stériles ont des masses presque égales et de l'ordre du milliard d'électronvolts, ils peuvent être à l'origine de l'asymétrie baryonique de l'Univers.

Détectable en X

Le troisième neutrino, quant à lui, peut être le constituant de la matière noire, dont l'existence est une des grandes énigmes astrophysiques depuis plus de soixante-dix ans. L'idée a été proposée dès 1994 par Scott Dodelson, du laboratoire Fermilab, près de Chicago, et Lawrence Widrow, de la Queen's University. Sa masse serait de l'ordre du kiloélectronvolt, et sa durée de vie plus grande que celle de l'Univers. Selon le même processus qu'Alvaro de Rujula, alors au MIT, et Sheldon Glashow, alors à l'université Harvard, ont suggéré pour les neutrinos ordinaires en 1980, ce neutrino stérile léger serait détectable à travers sa désintégration en un neutrino ordinaire et un photon de haute énergie. Cette réaction produirait des rayons X, observables dans les directions où la matière noire est concentrée. Les meilleurs émetteurs de cette lumière, dont la fréquence égale 1,5 x 1013 MHz pour un neutrino stérile de 20 kiloélectronvolts, sont des galaxies satellites naines, qui contiennent proportionnellement plus de matière noire que leurs congénères plus grandes ou que les amas de galaxies.
Les moyens d'observation existent. Deux observatoires spatiaux de rayons X sont en ce moment en activité. Il s'agit de l'américain Chandra et l'européen XMM-Newton. Mais aucun des deux n'a entrepris de recherche systématique dans ce but.

Mesures indirectes

Cependant, même si la masse des neutrinos stériles n'est pas directement mesurable, certaines observations restreignent les possibilités. Par exemple, les données déjà recueillies sur les rayons X émis par les amas de galaxies de Virgo ou de Coma, ou sur des galaxies telles que le Grand Nuage de Magellan ou notre Voie lactée, précisent la relation existant entre la masse de ce neutrino stérile et l'intensité de ses interactions avec les neutrinos ordinaires. De même, une relation entre masse et vitesse des neutrinos stériles est tirée de l'analyse de la lumière émise par des quasars lointains et traversant des nuages intergalactiques. Côté modèles, certains prédisent que les différentes masses des neutrinos stériles influenceraient différemment les grandes structures de l'Univers, à petite ou grande échelle. Enfin, nous venons de montrer que l'existence de nos trois neutrinos stériles aurait des répercussions sur la phase d'inflation qu'a connue l'Univers environ 10-35 seconde après le Big Bang [5] .
L'éventail des possibilités étant très large, il est tentant de rendre compte de phénomènes incompris en inventant des particules aux propriétés adéquates. Ce n'est pas nouveau dans l'histoire de la physique. C'était déjà la démarche de Wolfgang Pauli quand il a inventé les neutrinos en 1930.
Les neutrinos stériles légers pourraient ainsi expliquer la matière noire et l'asymétrie matière-antimatière. Malheureusement, aucune expérience de physique des particules effectuée jusqu'à maintenant n'a exploré la gamme d'énergie dans laquelle on pourrait les déceler. Ce n'est donc pas une surprise s'ils n'ont pas encore été découverts.

W en deux mots W Les neutrinos sont décidément prolifiques : en plus des trois types déjà détectés, il pourrait en exister d'autres, dont les capacités d'interaction avec la matière seraient encore plus faibles. L'existence de ces neutrinos « stériles », dont une seule expérience a cru voir la trace en 1995, reste très controversée. Ils seraient pourtant de bons candidats pour constituer la mystérieuse matière noire que les astrophysiciens traquent depuis plus de soixante-dix ans.

Mikhail Shaposhnikov

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