Les résultats mis à jour de l'expérience japonaise sur les neutrinos continuent de révéler les détails de l'inadéquation du comportement de la matière et de l'antimatière
Les neutrinos passant par l'installation Super Kamiokande créent une distribution de couleur informative sur les parois du détecteurSi vous regardez d'en haut, vous pouvez confondre un trou dans le sol avec une énorme cage d'ascenseur. Mais en fait, cela conduit à une expérience qui peut répondre à la question de savoir pourquoi l'affaire n'a pas disparu, se transformant en un nuage de rayonnement peu de temps après le Big Bang.
Je suis situé au Japan Proton Accelerator Research Complex (
J-PARC ), un bureau gouvernemental éloigné et bien gardé à Tokai, à environ une heure de train au nord de Tokyo. L'expérience T2K (
Tokai-to-Kamioka ) qui se déroule ici produit un faisceau de particules subatomiques, un neutrino. Le faisceau traverse 295 km de pierre jusqu'au détecteur Super Kamiokanda, une fosse géante enfouie à 1 km sous terre et remplie de 50 000 tonnes d'eau ultrapure. Pendant le voyage, certains neutrinos changent leur «tri» de l'un à l'autre.
L'expérience se poursuit aujourd'hui et ses premiers résultats ont été annoncés l'année dernière. Les scientifiques de T2K étudient comment les neutrinos changent de variété, essayant d'expliquer la prédominance de la matière sur l'antimatière dans l'univers. Lors de ma visite, les physiciens m'ont expliqué qu'ils traitent de nouvelles données obtenues au cours de l'année écoulée et que les résultats sont prometteurs.
Selon le
modèle standard de la physique des particules, chaque particule a son partenaire miroir, qui porte la charge électrique opposée - une particule d'antimatière. Lorsque des particules de matière et d'antimatière entrent en collision, elles s'annihilent en un éclat de rayonnement. Cependant, les scientifiques pensent que pendant le Big Bang, une quantité égale de matière et d'antimatière devrait apparaître, ce qui signifierait que tout devrait disparaître assez rapidement. Mais il n'a pas disparu. Une petite fraction de la matière primordiale a survécu et a formé l'univers que nous connaissons.
Les chercheurs ne savent pas pourquoi cela s'est produit. «Il doit y avoir une sorte de réaction des particules qui se produit différemment dans la matière et l'antimatière», explique Morgan Vasco, physicien à l'Imperial College de Londres. Par exemple, l'antimatière peut se décomposer d'une manière différente de la matière. Si tel est le cas, cela violerait l'idée d'
invariance CP , qui postule que les lois de la physique ne devraient pas changer si nous remplaçons les particules de matière par des antiparticules (symétrie par rapport à la charge) et les reflétons (symétrie de parité). La symétrie vaut pour la plupart des particules, mais pas pour toutes. Les particules subatomiques de quarks violent la symétrie CP, mais les écarts sont si faibles qu'ils ne suffisent pas à expliquer pourquoi la matière prévaut tellement sur l'antimatière dans l'Univers.
L'année dernière, la collaboration T2K a annoncé la première preuve que les neutrinos pouvaient violer l'invariance CP, ce qui pourrait potentiellement expliquer pourquoi l'univers est rempli de matière. "Si une violation de l'invariance CP est observée dans le domaine des neutrinos, cela peut facilement expliquer la différence entre la matière et l'antimatière", a déclaré Adrian Beavan, spécialiste de la physique des particules à l'Université Queen Mary de Londres.
Les chercheurs recherchent des violations de l'invariance CP en étudiant la différence de comportement de la matière et de l'antimatière. Dans le cas des neutrinos, les scientifiques de T2K étudient comment les neutrinos et les antineutrinos
oscillent , c'est-à-dire changent en cours de route vers le capteur Super-K. En 2016, 32 neutrinos à muons ont été échangés contre des électrons en route vers Super-K. Et lorsque les chercheurs y ont envoyé des antineutrinos à muons, seuls quatre d'entre eux sont devenus électroniques.
Les résultats ont remué la communauté - bien que la plupart des physiciens n'aient pas manqué de souligner qu'avec un si petit échantillon, il y avait une probabilité de 10% que cette différence soit le résultat de fluctuations aléatoires (à titre de comparaison, lorsque le boson de Higgs a été découvert en 2012, la probabilité d'aléa du signal était d'un millionième).
Cette année, les chercheurs ont collecté près de deux fois plus de données sur les neutrinos que par le passé. Le Super-K a capturé 89 neutrinos électroniques, et ce nombre dépasse de loin le seuil de 67 particules, qui aurait dû apparaître en l'absence de violation de l'invariance CP. L'expérience n'a également trouvé que sept antineutrinos électroniques, deux de moins que prévu.
Jusqu'à présent, les chercheurs n'ont pas annoncé la découverte. En raison de la quantité de données pas si grande, "il y a encore 1 chance sur 20 qu'il s'agit d'une déviation statistique et non d'une violation de l'invariance du CP", explique Philip Lichfield, physicien à l'Imperial College de Londres. Pour que les résultats deviennent vraiment significatifs, ajoute-t-il, l'expérience doit atteindre 3 chances sur 1000, et les chercheurs espèrent dépasser cette limite d'ici le milieu des années 2020.
Mais les améliorations apportées aux données l'année dernière, bien que modestes, vont toujours "dans une direction très intéressante", a déclaré Tom Browder, physicien à l'Université d'Hawaï. Les indices d'une nouvelle physique n'ont pas encore disparu, comme on pourrait s'y attendre si les résultats étaient annulés au cas où. Sont également inclus les résultats d'une autre expérience, NOvA, menée au Laboratoire national d'accélération de Fermi dans une banlieue de Chicago. L'année dernière, il a publié le premier ensemble de données sur les neutrinos et les résultats sur les antineutrinos sont attendus l'été prochain. Et bien que ces premiers résultats sur la violation de l'invariance CP ne soient pas non plus statistiquement significatifs, si les résultats des expériences NOvA et T2K coïncident, alors «la cohérence de toutes ces premières indications» sera très intrigante, explique Mark Monsieur, physicien à l'Université d'Indiana.
La mise à jour prévue du détecteur Super-K pourrait stimuler la recherche. L'été prochain, l'eau est pompée du détecteur pour la première fois en une décennie, puis remplie d'eau ultra pure. Il sera mélangé avec du sulfate de
gadolinium , un sel qui devrait augmenter considérablement la sensibilité de l'appareil aux antineutrinos électroniques. "Le mélange de gadolinium rendra la détection des interactions électron-neutrinos une tâche très facile", a déclaré Browder. Le sel aidera les chercheurs à séparer les interactions antineutrinos des interactions neutrinos, ce qui augmentera leur capacité à rechercher les violations de l'invariance CP.
"Pour l'instant, nous sommes prêts à faire valoir que l'invariance du CP est violée dans le cas d'un neutrino, mais nous ne serons pas surpris si ce n'est pas le cas", a déclaré André de Guvea, physicien à la Northeastern University. Vasco est un peu plus optimiste: «Les résultats du T2K 2017 n'ont pas encore clarifié notre compréhension de la violation de l'invariance du CP, mais promettent d'augmenter la précision de sa mesure à l'avenir», a-t-il déclaré. «Et peut-être que l'avenir n'est pas aussi éloigné qu'on pourrait le penser l'année dernière.»