Les physiciens sont revenus les mains vides après l'échec de leur recherche de « neutrinos stériles »

Des physiciens à la recherche de preuves d'un " neutrino léger stérile ", une particule hypothétique qui pourrait donner des indices sur des énigmes cosmiques telles que la nature de la matière noire et pourquoi l'Univers est fait de matière, ont annoncé leur chasse a ]revenir les mains vides.

L'expérience MicroBooNE au Fermilab a été conçue pour donner suite à des indices antérieurs de neutrinos se comportant étrangement, mais le résultat négatif porte un coup à l'idée d'une telle nouvelle particule élémentaire.[19659002]

Les neutrinos sont des particules subatomiques légères et insaisissables, et les théories actuelles reconnaissent trois types différents. En 1995, cependant, l'expérience Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND) à Los Alamos a détecté plus d'un type que prévu.

La plupart des tentatives pour expliquer l'anomalie ont proposé l'existence d'un quatrième type de neutrino qui interagit à peine avec la matière normale. du tout : un neutrino dit « stérile ». dans le doute.

Qu'est-ce qu'un neutrino stérile ?

Les neutrinos sont des particules subatomiques postulées par le physicien autrichien Wolfgang Pauli en 1930 pour expliquer comment certains atomes radioactifs envoient des électrons.

Leur existence n'a été confirmée qu'en 1956, lorsque les Américains Clyde Cowan et Frederick Reines ont observé de minuscules éclairs de lumière produits par des neutrinos s'écrasant sur les atomes dans un réservoir d'eau.

Aujourd'hui, les neutrinos font partie intégrante du « modèle standard de particules. la physique ». C'est notre meilleure théorie des particules de l'Univers, décrivant les 17 particules élémentaires connues et comment elles interagissent via trois forces fondamentales (l'électromagnétisme et les forces fortes et faibles).

Le modèle standard divise les 17 particules en deux groupes de base : 12 les fermions, qui composent la matière, et cinq bosons, qui portent les forces.

Tous les fermions n'interagissent pas avec toutes les forces. Par exemple, les neutrinos ne sont affectés que par la force faible (et la gravité, qui ne rentre pas dans le modèle standard).

Les fermions sont divisés en trois familles, chacune ayant un neutrino : l'électron, le muon et neutrinos tau.

Tous ces neutrinos sont « gauchers » par rapport à la force faible. Il est difficile d'expliquer simplement ce que cela signifie, mais il suffit de dire que les particules gauches et droites sont des images miroir l'une de l'autre, et elles sont affectées différemment par la force faible.

Tous les autres fermions connus sont à la fois gauche et gauche. versions pour droitiers. Cela nous incite à penser que les neutrinos droitiers devraient également exister dans la nature.

Étant droitiers, ces hypothétiques neutrinos sont aveugles même à la force faible et sont en ce sens « stériles ».

Mais comme tous les connus. particules, elles devraient toujours ressentir la gravité. Les neutrinos stériles sont également prédits par les « théories de la grande unification » qui tentent de combiner les trois forces en une seule. Une façon consiste à utiliser un processus appelé « oscillation de neutrinos », dans lequel les trois types connus de neutrinos peuvent se transformer les uns dans les autres. , ou combien disparaissent.

L'expérience LSND qui a inspiré à l'origine l'hypothèse des neutrinos stériles était une expérience « d'apparence », tout comme MicroBooNE (qui a produit le nouveau résultat négatif) et son prédécesseur MiniBooNE.

Ils tirent un faisceau de neutrinos muoniques sur une distance relativement courte (entre 30 et 500 mètres) et mesurent combien de électron-neutrinos sont détectés à l'autre extrémité.

Au LSND et MiniBooNE, ils ont vu plus de neutrinos électroniques que prévu. Nous savons d'après d'autres expériences que les neutrinos muoniques ne peuvent pas osciller directement en neutrinos électroniques sur ces distances.

Mais si certains des neutrinos muoniques se transforment en neutrinos stériles très légers et alors en neutrinos électroniques, cela pourrait expliquer comment ces neutrinos électroniques supplémentaires sont apparus.

C'est l'hypothèse des neutrinos stériles.

Et s'il y avait des neutrinos stériles ? il y a de bonnes chances que des neutrinos stériles plus lourds existent également.

Ces cousins ​​​​plus lourds pourraient répondre à plusieurs énigmes majeures de la physique des particules, telles que la nature de la "matière noire" qui semble constituer la majeure partie de l'Univers, pourquoi les neutrinos ont une masse quelconque. du tout, et pourquoi l'Univers contient tellement plus de matière que d'antimatière.

Il n'y a qu'un problème. Le neutrino stérile léger avec lequel nous sommes partis est un casse-tête pour les cosmologistes.

S'il existe, nous devrions pouvoir observer des traces de neutrinos stériles formés juste après le Big Bang.

Cependant, aucune étude récente du rayonnement de fond cosmique micro-ondes ou de la distribution des galaxies et des éléments lumineux entre elles ne montre aucun signe que ces neutrinos stériles existaient.

Cela pourrait signifier que la l'hypothèse des neutrinos stériles est incorrecte. Mais il est également possible que quelque chose d'autre dans notre compréhension de l'Univers ne va pas. C'est décevant pour les chercheurs à l'origine des collaborations LSND et MiniBooNE, et pour les partisans de l'hypothèse des neutrinos stériles.

Cela soulève également la question de savoir exactement ce qui a causé les résultats observés par les expériences précédentes. Une analyse plus poussée des données de MicroBooNE pourrait aider à élucider ce mystère.

Globalement, cependant, le dernier résultat de MicroBooNE est conforme aux conclusions de deux grandes expériences de « disparition », MINOS+ et IceCube. Ni l'un ni l'autre n'a vu de preuve de la disparition des neutrinos du muon comme le prédit l'hypothèse des neutrinos stériles. Cependant, le calcul du nombre de neutrinos qu'un réacteur nucléaire émettra est notoirement difficile, il est donc préférable de prendre ces affirmations avec un grain de sel.

Recherches futures

La collaboration MicroBooNE n'a jusqu'à présent analysé que la moitié de ses données collectées.[19659002] Certains se sont également demandé si pas d'excès de neutrinos électroniques signifie nécessairement pas d'oscillations de neutrinos, étant donné que la mesure a été faite à une seule distance. Techniquement, nous avons besoin de mesures à deux distances ou plus pour établir définitivement des oscillations ou non.

Ces mesures devraient arriver dans les prochaines années, lorsque le Fermilab allumera deux autres détecteurs dans le cadre du Fermilab Short Baseline Neutrino programme. Le trio de détecteurs testera la disparition des neutrinos muoniques et l'apparition de neutrinos électroniques à l'aide d'un seul faisceau de neutrinos source.

Les perspectives d'un verdict final sur les neutrinos légers stériles au cours de la prochaine décennie sont donc bonnes.

Article de Yvonne Wongprofesseur agrégé de physique et ARC Future Fellow, UNSW et Michael Schmidtmaître de conférences en physique, UNSW

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article d'origine .