Neutrinos : qu’ont-ils à cacher?

Les neutrinos pourraient expliquer certains mystères de l’Univers, comme la présence de la matière. Pour les percer à jour, les physiciens déploient des trésors de patience.

Ces particules, produites notamment au cœur des étoiles, sont omniprésentes dans l’Univers, mais elles sont incroyablement discrètes, ce qui en fait les plus mystérieuses de tout le bestiaire des particules connues. Et dans ce domaine, qui dit mystère dit espoir. « Les neutrinos sont notre dernière chance d’expliquer le déséquilibre matière-antimatière. Si ce n’est pas là qu’on trouve la réponse, il va falloir explorer de nouvelles théories plus complexes », résume Roxanne Guénette, professeure de physique à l’Université Harvard et chercheuse au Fermilab, le laboratoire américain de référence en physique des particules qui se présente comme la « capitale mondiale des neutrinos ».

Certes, il faut beaucoup de persévérance (et une bonne capacité d’abstraction !) pour saisir les grandes lignes de ce sujet lorsqu’on est profane, qu’on soit enfant ou adulte… Mais ce voyage dans l’infiniment petit et, soyons francs, l’infiniment compliqué en vaut la peine. Car ce n’est pas pour rien que la « physique des neutrinos » est l’un des domaines scientifiques les plus en vogue actuellement.

Bêtes curieuses

Les neutrinos cumulent les bizarreries : extrêmement abondants, sans charge électrique, ils interagissent très peu avec la matière. Chaque seconde, des centaines de milliards d’entre eux nous traversent à une vitesse proche de celle de la lumière, tels des fantômes. Comme si cela ne suffisait pas, ces particules passent leur temps à se métamorphoser. Il en existe trois types : les neutrinos électroniques, muoniques et tauiques. Ces « saveurs » sont définies par la nature des particules que les neutrinos créent les fois rarissimes où ils heurtent de la matière ; la collision libère alors un électron, un muon ou un tau, qui sont des cousins lourds de l’électron.

Sauf qu’on sait depuis la fin des années 1990 que les neutrinos passent de manière constante d’une identité à l’autre, un spécimen muonique se changeant en électronique ou en tauique et ainsi de suite. Une propriété appelée « oscillation », que les physiciens aiment décrire de façon gourmande : c’est un peu comme si une crème glacée changeait constamment de parfum, hésitant entre chocolat, vanille et fraise, et réussissant même à être un peu les trois à la fois. Car on parle ici de mécanismes quantiques, qui autorisent l’existence simultanée de plusieurs états.

Ça n’a l’air de rien, mais cette oscillation pose un sacré problème : elle ne peut se produire que si ces particules ont une masse − plus précisément trois masses (voir l’encadré plus loin). Or, dans le fameux « modèle standard », les neutrinos ne sont pas censés en avoir du tout. Rappelons que cette théorie, élaborée dans les années 1960, soutient que la matière est constituée de particules élémentaires (les quarks et les leptons) qui interagissent entre elles par le biais de forces. Le modèle standard décrit presque à la perfection le monde qui nous entoure : jusqu’ici, aucune expérience n’a réussi à le prendre en défaut et tout ce qu’il prédit s’est avéré. « Sauf l’existence de la masse des neutrinos [établie en 1998 sans qu’on en connaisse la valeur]. C’est un indice qui montre que ces particules n’entrent pas tout à fait dans le moule », commente Roxanne Guénette.

C’est aussi une preuve tangible que le « moule » n’est pas si parfait que cela. En effet, on sait que le modèle standard de la physique des particules n’explique pas tout. Il fait l’impasse entre autres sur la matière noire, qui constituerait 80 % de la masse de l’Univers, sur l’énergie noire, la force qui accélère l’expansion du cosmos, et sur la survie de la matière. Si bien que, depuis des décennies, les physiciens lui cherchent des failles pour trouver de nouvelles lois, équations et particules capables d’élucider ce qui leur échappe. Et les neutrinos pourraient justement être une passerelle vers cette « nouvelle physique ». Autrement dit, ils seraient de vilains petits canards… providentiels.

Une piste concrète

Un nouvel argument vient jouer en leur faveur : au printemps 2020, une coalition internationale de 500 chercheurs a annoncé avoir observé une petite différence de comportement entre les neutrinos et leurs antiparticules, les bien-nommés antineutrinos, grâce à l’expérience dite T2K, basée au Japon. On l’a dit, la physique aime la symétrie ; particules et antiparticules sont comme un objet et son reflet dans le miroir − inversés, mais évoluant exactement de la même façon. Mais les neutrinos et leurs « reflets » pourraient ne pas être parfaitement comparables, selon ces résultats publiés dans la revue Nature. En termes techniques, ils violeraient la symétrie dite CP (charge-parité). Une piste pour expliquer le petit déséquilibre à l’origine de notre existence ? « Ce n’est pas encore prouvé, mais c’est la première fois qu’on trouve quelque chose de concluant », s’enthousiasme Benjamin Quilain, l’un des auteurs de cette découverte.

Il travaille en France, au laboratoire Leprince-Ringuet de l’Institut polytechnique de Paris, mais c’est bien au Japon qu’il traque ces fantômes. Sur Terre, la plupart des neutrinos qui nous parviennent sont issus du cœur du Soleil, mais on peut aussi les créer de façon artificielle, soit dans des réacteurs nucléaires, soit en bombardant une cible de carbone avec un faisceau de protons accélérés. Cette dernière approche a été choisie pour l’expérience T2K : « Les protons heurtent la cible, ce qui crée d’autres particules qui, à leur tour, se désintègrent en muons et en neutrinos muoniques », indique le physicien. Les particules intermédiaires ont une charge électrique, ce qui permet de les séparer avec un champ électromagnétique. « Celles qui sont chargées négativement créent des neutrinos, celles qui sont positives des antineutrinos. On peut donc avoir au choix un faisceau de neutrinos ou d’antineutrinos. De quoi comparer leurs fréquences d’oscillation », résume-t-il.

Le nom T2K signifie « Tokai to Kamioka ». C’est que les faisceaux sont produits à Tokai et se propagent ensuite sous terre jusqu’à Kamioka, une ville située 295 km plus loin. Les neutrinos rencontrent alors un immense détecteur appelé SuperKamiokande, logé dans les profondeurs d’une mine, à l’abri des rayons cosmiques − celui-là même qui a mis en évidence l’oscillation il y a plus de 20 ans. Il s’agit en fait d’une cuve de 40 m de haut et de 40 m de diamètre contenant 50 000 t d’eau ultrapure et tapissée de 13 000 photodétecteurs. Dans l’immense majorité des cas, les neutrinos traversent cette piscine avec la plus grande indifférence. Mais une fois de temps en temps, l’un d’eux frappe de plein fouet une molécule d’eau, ce qui produit un flash lumineux décelé par les capteurs. « Si c’est un neutrino muonique qui est à l’origine de la collision, on n’aura pas la même signature dans le détecteur que si c’est un neutrino électronique », dit Benjamin Quilain.

Ainsi, on peut étudier avec précision l’oscillation qui s’est produite au cours du trajet (on connaît la composition du flux de départ, à 99 % muonique). « On a constaté que les neutrinos oscillent plus que les antineutrinos. Cela signale une asymétrie, précise le chercheur. Il y a pour l’instant 95 % de chances que cette asymétrie soit réelle et non pas un artéfact statistique. Mais en physique, on veut que la probabilité d’erreur soit inférieure à un sur un million. »

Avant de confirmer cette asymétrie, il faudra donc s’armer de patience. Après avoir accumulé 10 ans de données (et quelques embûches techniques), SuperKamiokande n’a réussi à attraper que 90 neutrinos et 15 antineutrinos électroniques. L’amélioration en cours de l’accélérateur permettra de multiplier les prises, mais il faudra attendre 2027 pour que son successeur, HyperKamiokande (68 m de haut pour 72 m de diamètre), entre en fonction et vienne confirmer − ou non − ces observations.

De son côté, le Fermilab va lui aussi monter en grade avec DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), un projet colossal qui devrait voir le jour en 2026. Semblable, sur le principe, à l’expérience T2K mais beaucoup plus sensible, DUNE disposera du faisceau de neutrinos/antineutrinos le plus puissant jamais construit. Il viendra frapper quatre gigantesques détecteurs situés dans une mine du Dakota du Sud 1 300 km plus loin − de quoi laisser amplement le temps aux neutrinos de se métamorphoser.

Ces détecteurs géants sont d’autant plus attendus que l’expérience sœur de T2K menée au Fermilab, appelée NOvA, n’a révélé aucune différence entre la fréquence d’oscillation des neutrinos et celle des antineutrinos, selon les analyses publiées en août 2021. « T2K et NOvA n’ont pas été conçues de façon optimale, car à l’époque on ne connaissait pas tous les paramètres d’oscillation que l’on connaît aujourd’hui. Vu le faible nombre de particules détectées, ce n’est pas étonnant que leurs résultats soient contradictoires », commente Roxanne Guénette, ajoutant que les deux groupes travaillent ensemble en ce moment même à compiler leurs résultats pour affiner les analyses.

Une foule de questions

La « communauté neutrinos » est donc fébrile, car elle va enfin disposer, dans les années à venir, d’outils à la hauteur de ses interrogations. Et des questions, il y en a. Beaucoup, même si elles sont toutes un peu entremêlées.

L’une des plus brûlantes concerne la fameuse masse de ces neutrinos, qui influe sur la fréquence des oscillations. L’existence même de cette masse est surprenante et, de plus, celle-ci est étonnamment faible. Ces particules sont environ un million de fois plus légères que l’électron, la plus légère des autres particules, qui se tiennent toutes dans un même registre de grandeur. « C’est vraiment bizarre, traduit Roxanne Guénette. Pourquoi a-t-on soudainement un tel écart de masse ? »

C’est ici que le sujet se corse un peu. En fait, ce qui « donne » leur masse aux particules, c’est le boson de Higgs, découvert au grand collisionneur de hadrons de Genève en 2012. Les bosons de Higgs forment un « champ », une sorte de « mélasse étalée dans l’Univers », pour reprendre les mots du physicien québécois Yves Sirois, qui ralentit plus ou moins les particules, donnant l’impression qu’elles ont une masse. Ainsi, le photon, qui n’a pas de masse, n’interagit pas avec le champ de Higgs. En revanche, le quark top s’y englue ; il apparaît donc très lourd.

Et que font les neutrinos, eux ? « Leur minuscule masse pointe vers trois hypothèses. Soit ils n’interagissent avec les bosons de Higgs que très, très faiblement, soit ils “parlent” avec un boson de Higgs inconnu, qui n’a pas encore été découvert. La troisième hypothèse, la plus plausible, c’est qu’il existerait un autre mécanisme, une source différente de masse − et la masse des neutrinos pourrait être due à une combinaison entre le mécanisme de Higgs et cette autre source», résume le théoricien André de Gouvêa, de l’Université Northwestern. Inutile de tout retenir : ce qu’il faut comprendre, c’est qu’on soupçonne les neutrinos, ici encore, de nous cacher quelque chose.

Ils sont d’autant plus suspects qu’ils n’ont pas le profil classique pour interagir avec le champ de Higgs. Celui-ci fonctionne avec les particules qui déambulent sous deux formes, gauchère et droitière. Et devinez quoi ? Les neutrinos n’existent que dans une version gauchère, contrairement à toutes les autres particules de matière. On parle ici d’une propriété intrinsèque aux particules : de la même manière qu’elles sont définies par leur masse et leur charge, elles sont aussi définies par leur « hélicité » gauche ou droite. Celle-ci dépend du sens de rotation de la particule (son spin) et de son mouvement − il s’agit là de métaphores, car les particules ne sont pas réellement de petites boules qui tournent… Mais bref, une particule est droitière si la direction de son spin est la même que celle de son mouvement ; elle est gauchère si la direction de son spin est opposée à celle de son mouvement. Et les neutrinos observés sont tous gauchers, donc.

Cela fait dire aux physiciens que, si jamais ils existent, les neutrinos droitiers sont bien cachés… Au point que certaines théories avancent qu’ils sont des sortes de jumeaux monstrueux aux masses immenses − et donc indétectables dans les collisionneurs, car cela nécessiterait trop d’énergie. Par un mécanisme de « balançoire à bascule », ils auraient contrebalancé la petite masse des neutrinos gauchers, qui seraient restés perchés au sommet du levier (on est encore ici dans des mécanismes quantiques… Contentons-nous d’imaginer la balançoire !).

Benjamin Quilain précise : « Les neutrinos actuels seraient un mélange de neutrinos gauchers avec une minuscule composante droitière. » Et c’est l’interaction des deux membres de ce couple disparate qui engendrerait la masse. Ce n’est pas tout : dans l’Univers bouillant primordial, la plupart de ces géants droitiers se seraient rapidement désintégrés en composants plus stables et légers, avec une probabilité un peu plus forte de donner des particules que des antiparticules. Un petit déséquilibre qui aurait laissé son empreinte sur l’oscillation des neutrinos gauchers et qu’on pourrait observer aujourd’hui dans les expériences comme T2K. La boucle serait bouclée.

1 + 1 = 1 ?

Il ne s’agit là que de théories, qui se traduisent par des équations mathématiques complexes. Il y a plusieurs autres options, et les scientifiques composent avec toutes les éventualités. Mais ce qui les arrangerait, ce qui ferait « joli » et viendrait appuyer l’idée du mécanisme en balançoire à bascule, c’est le fait que les neutrinos soient leurs propres antiparticules. Autrement dit, que ces particules et leurs reflets ne fassent qu’un, ce qui serait possible, puisqu’ils ont une charge électrique nulle.

C’est toute l’idée derrière les neutrinos « Majorana », du nom du père de l’idée, Ettore Majorana, un physicien génial et un peu étrange disparu en 1938 (la saga des neutrinos est décidément pleine de mystères !).

Paradoxalement, les neutrinos pourraient osciller différemment des antineutrinos même s’ils sont un seul et même élément. Les expériences comme T2K, qui cherchent à comparer le comportement des deux types, restent donc tout à fait valides. « Quand on dit que le neutrino est sa propre antiparticule, on veut dire que la majorité du temps il se comporte comme lui-même et en de rares fois comme son antiparticule. Statistiquement, le neutrino Majorana se comporte 10¹⁸ fois comme un neutrino et 1 fois comme un antineutrino. Dans les expériences d’oscillation comme DUNE, on ne verra jamais la différence », clarifie Roxanne Guénette, mentionnant que c’est incroyablement difficile d’étudier expérimentalement la question des Majorana. À cause de cette minuscule composante.

Certains physiciens s’y attaquent toutefois. Ryan Martin, de l’Université Queen’s, en Ontario, travaille ainsi sur une désintégration radioactive nommée « double désintégration bêta sans émission de neutrinos », qui est la seule façon de prouver (ou d’infirmer) que le neutrino est Majorana. Si tout ce qui touche aux neutrinos demande précision et patience, la double désintégration bêta est plus exigeante que tout ce qu’on peut imaginer ! « C’est infiniment rare, car il faut que deux neutrons d’un noyau radioactif se désintègrent simultanément en deux protons, deux électrons et deux antineutrinos », explique le chercheur, signalant qu’il existe très peu d’éléments sur Terre qui peuvent se désintégrer de cette manière.

Si les neutrinos sont leurs propres antiparticules, Ryan Martin pourrait se retrouver devant deux électrons, deux protons, mais aucun neutrino. C’est qu’un des deux antineutrinos créés pourrait être un neutrino (s’ils sont Majorana !), ce qui annihilerait le duo. Une « disparition » qu’on pourrait déceler en mesurant l’énergie des électrons émis et qui violerait encore une fois la sacro-sainte symétrie. « Mais les chances que cela se produise sont infimes : si l’on prend un seul atome, on peut attendre plus longtemps que l’âge de l’Univers avant que cela survienne. » Pour espérer gagner le gros lot, il faut donc se doter de détecteurs très gros, très purs, sans aucun bruit de fond pour ne pas noyer le minuscule hypothétique signal. Le chercheur travaille justement sur des détecteurs constitués de germanium 76 solide dans le cadre de l’expérience LEGEND.

La première phase (2022-2027) se déroulera en Italie, dans le Laboratoire du Gran Sasso, avec 200 kg de germanium 76 qui se désintègre de temps à autre de la bonne façon… La seconde phase pourrait avoir lieu au SNOLAB, le laboratoire souterrain de Sudbury, en Ontario, avec 1 000 kg de germanium 76, qu’il faudra d’abord enrichir en Russie, transporter dans un conteneur en plomb, puis entourer de cuivre ultrapur fabriqué sous terre par les chercheurs eux-mêmes… « Et il n’y a aucune garantie qu’on observe le phénomène ! » sourit Ryan Martin.

Depuis peu, Roxanne Guénette s’est aussi lancée dans cette quête prometteuse au moyen du détecteur NEXT, en Espagne, qui contient du xénon gazeux. « Si l’on observe cette désintégration ou une violation de la symétrie CP, ce sera un pas de géant vers la prochaine étape », avance-t-elle.

Une telle découverte permettrait de tirer le fil de la pelote et d’avancer sur tous les fronts, en privilégiant certaines théories et en en éliminant d’autres… Et si toutes les expériences échouent ? « En réalité, les neutrinos ne sont peut-être pas si spéciaux que ça. Leur masse est peut-être la seule chose bizarre, et la nature a fait des choses bizarres avant ça », admet Roxanne Guénette. Croisons donc les doigts pour que les neutrinos surprennent les scientifiques de nouveau et leur fassent cadeau des clés manquantes pour ouvrir la porte vers la nouvelle physique. Et pour qu’ils expliquent enfin pourquoi nous existons.