Le grand mystère des neutrinos pourrait indiquer des particules manquantes

En 1993, profond sous terre au Laboratoire national de Los Alamos au Nouveau-Mexique, quelques éclairs de lumière à l’intérieur d’un réservoir de pétrole de la taille d’un bus ont lancé une histoire policière qui n’a pas encore atteint sa conclusion.

Le Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND) recherchait des rafales de rayonnement créées par des neutrinos, la plus légère et la plus insaisissable de toutes les particules élémentaires connues. « À notre grand étonnement, c’est ce que nous avons vu », a déclaré Bill Louis, l’un des chefs de file de l’expérience.

Le problème était qu’ils en voyaient trop. Les théoriciens avaient postulé que les neutrinos pourraient osciller entre les types lorsqu’ils volent, une hypothèse qui expliquait diverses observations astronomiques. Le LSND avait entrepris de tester cette idée en pointant un faisceau de neutrinos muoniques, l’un des trois types connus, vers le réservoir de pétrole, et en comptant le nombre de neutrinos électroniques qui y arrivaient. Pourtant, Louis et son équipe ont détecté bien plus de neutrinos électroniques arrivant dans le réservoir que ne le prévoyait la simple théorie des oscillations de neutrinos.

Depuis lors, des dizaines d’autres expériences sur les neutrinos ont été construites, chacune plus grande que la précédente. Dans les montagnes, les cavernes minières désaffectées et la glace sous le pôle Sud, les physiciens ont érigé des cathédrales pour ces particules notoirement glissantes. Mais alors que ces expériences sondaient les neutrinos sous tous les angles, elles continuaient à donner des images contradictoires du comportement des particules. « L’intrigue ne cesse de s’épaissir », a déclaré Louis.

« C’est une histoire très déroutante. Je l’appelle le Jardin des chemins bifurquants », a déclaré Carlos Argüelles-Delgado, physicien des neutrinos à l’Université de Harvard. Dans la nouvelle de Jorge Luis Borges de 1941 portant ce titre, le temps se ramifie en un nombre infini de futurs possibles. Avec les neutrinos, des résultats contradictoires ont envoyé les théoriciens vers une variété de chemins, ne sachant pas à quelles données faire confiance et lesquelles pourraient les égarer. « Comme tout roman policier, parfois vous voyez des indices et ils vous jettent dans la mauvaise direction », a déclaré Argüelles-Delgado.

En 1993, le détecteur de neutrinos à scintillateur liquide du Laboratoire national de Los Alamos a signalé une quantité déroutante de détections de neutrinos. Rick Bolton, un ingénieur, est représenté agenouillé parmi les tubes photomultiplicateurs qui détecteraient la lumière des interactions de neutrinos à l’intérieur du réservoir une fois qu’il aurait été rempli d’huile minérale.Avec l’aimable autorisation du Laboratoire national de Los Alamos

L’explication la plus simple de l’anomalie LSND était l’existence d’un nouveau quatrième type de neutrino, surnommé le neutrino stérile, qui mélange tous les types de neutrinos selon de nouvelles règles. Des neutrinos stériles permettraient aux neutrinos de muons d’osciller plus facilement en neutrinos d’électrons sur la courte distance jusqu’au réservoir de pétrole.

Mais au fil du temps, le neutrino stérile ne correspondait plus aux résultats d’autres expériences. « Nous avions notre théorie des champions, mais le problème était qu’ailleurs, elle échoue lamentablement », a déclaré Argüelles-Delgado. « Nous étions très profondément dans la forêt et nous devions en sortir. »

Contraints de revenir sur leurs pas, les physiciens ont repensé ce qui se cache derrière le fouillis d’indices et de demi-résultats. Ces dernières années, ils ont conçu de nouvelles théories plus compliquées que le neutrino stérile, mais qui, si elles étaient correctes, révolutionneraient en profondeur la physique, résolvant en même temps les anomalies des données d’oscillation des neutrinos et d’autres grands mystères de la physique. Notamment, les nouveaux modèles postulent des neutrinos supplémentaires lourds qui pourraient expliquer la matière noire, la substance invisible enveloppant les galaxies qui semble être quatre fois plus abondante que la matière normale.

Maintenant, quatre analyses publiées hier par l’expérience MicroBooNE au Fermi National Accelerator Laboratory près de Chicago et une autre étude récente du détecteur IceCube au pôle Sud suggèrent toutes deux que ces théories plus complexes des neutrinos pourraient être sur la bonne voie, bien que l’avenir reste loin. de clair.

« J’ai l’impression qu’il y a quelque chose dans l’air », a déclaré Argüelles-Delgado. « C’est un environnement très tendu qui pointe vers la découverte. »

Un remède désespéré

Lorsque Wolfgang Pauli a postulé l’existence du neutrino en 1930 pour expliquer où l’énergie disparaissait pendant la désintégration radioactive, il l’a qualifié de « remède désespéré ». Sa construction théorique n’avait ni masse ni charge électrique, ce qui le faisait douter qu’une expérience puisse jamais la détecter. « C’est quelque chose qu’aucun théoricien ne devrait jamais faire », écrivait-il dans son journal à l’époque. Mais en 1956, dans une expérience similaire au LSND, le neutrino était là.

Triumph a rapidement basculé dans la confusion lorsque les physiciens ont détecté des neutrinos provenant du soleil, une source naturelle de particules, et ont trouvé moins de la moitié du nombre prédit par les modèles théoriques des réactions nucléaires des étoiles. Dans les années 1990, il était clair que les neutrinos se comportaient bizarrement. Non seulement les neutrinos solaires semblaient disparaître mystérieusement, mais aussi les neutrinos qui tombent sur Terre lorsque les rayons cosmiques entrent en collision avec la haute atmosphère.