Preuve trouvée de l'existence d'une nouvelle particule fondamentale

Une expérience dans le laboratoire national des accélérateurs. Enrico Fermi (Fermilab) près de Chicago a découvert beaucoup plus de neutrinos électroniques que prévu. Cet événement pourrait devenir le messager d'une toute nouvelle particule élémentaire, un neutrino stérile , bien que de nombreux physiciens restent sceptiques.

Dans le réservoir MiniBooNE, les photocellules captent la lumière qui apparaît lorsque les neutrinos interagissent avec les noyaux atomiques

Les physiciens sont surpris et choqués par le nouveau rapport de l'expérience neutrino du Fermilab. L'expérience MiniBooNE a trouvé beaucoup plus de neutrinos d'un certain type que prévu - et la façon la plus simple d'expliquer ce phénomène est l'existence d'une nouvelle particule élémentaire: un neutrino stérile, une particule encore plus secrète et étrange que les trois types de neutrinos connus. Le résultat, apparemment, confirme les résultats anormaux de l'ancienne expérience, pour confirmer quel MiniBooNE a été construit.

La persistance de l'anomalie des neutrinos est très agréable aux physiciens, a déclaré Scott Dodelson de l'Université Carnegie Mallon. Cela "dit que quelque chose de vraiment intéressant se passe ", a ajouté Anzee Slozar du Brookhaven National Laboratory.

Mais quoi exactement, personne ne peut dire.

«J'étais très intéressé par le résultat, mais je ne suis pas prêt à crier« Eurêka! », A déclaré Janet Conrad , spécialiste de la physique des neutrinos au MIT et membre de la collaboration MiniBooNE.

L'existence de neutrinos stériles révolutionnerait la physique à tous les niveaux. Cela violerait enfin le modèle standard de physique des particules, qui perdure depuis les années 1970. Cela nécessiterait également un «nouveau modèle standard de cosmologie», a déclaré Dodelson. "Il y a d'autres fissures dans l'image standard du monde", a-t-il ajouté. «Le paradoxe des neutrinos pourrait nous ouvrir la voie à un nouveau modèle amélioré.»

Les neutrinos sont de minuscules particules, et des milliards d'entre eux traversent notre corps à chaque seconde, mais interagissent rarement d'une manière ou d'une autre avec eux. Ils fluctuent constamment entre trois «variétés» - électronique, muon et tau. Dans une expérience MiniBooNE, un faisceau de neutrinos à muons tire en direction d'un réservoir géant de pétrole . Sur le chemin du réservoir, certains neutrinos à muons doivent être convertis en neutrons électroniques à une vitesse déterminée par leur différence de masse. MiniBooNE suit ensuite l'arrivée des neutrinos électroniques qui produisent des éclats de rayonnement caractéristiques dans les rares cas où ils interagissent avec les molécules d'huile. Au cours des 15 années de fonctionnement, MiniBooNE a enregistré plusieurs centaines de neutrinos électroniques de plus que prévu.

L'explication la plus simple de cette quantité étonnamment élevée serait que certains neutrinos muons oscillent vers un autre neutrino plus lourd, une variété stérile qui n'interagit pas avec autre chose que les neutrinos, et que certains de ces neutrinos lourds stériles oscillent ensuite en électron. Une grande différence de masse entraîne plus d'oscillations et plus de détections.


Le réservoir MiniBooNE a 12 m de diamètre et est garni de 1520 photocellules

Un compteur à scintillation de neutrinos liquides (LSND) à Los Alamos a découvert une anomalie similaire dans les années 1990, qui a nécessité la construction du MiniBooNE. Cependant, dans d'autres expériences avec des neutrinos, qui fonctionnent sur d'autres principes que LSND et MiniBooNE, n'ont pas pu trouver de signes clairs de la présence des prétendus neutrinos stériles. "C'est la malédiction de notre travail - certaines expériences voient quelque chose, tandis que d'autres ne le voient pas", a déclaré Werner Rodeyokhan du Max Planck Institute for Nuclear Physics.

Si les neutrinos stériles sont l'explication des nouveaux résultats, alors les physiciens ne savent toujours pas comment combiner les propriétés de ces nouvelles particules avec tout ce que nous savons. Le fait peut-être le plus désagréable est que lorsque l'on observe la lumière qui nous vient du premier Univers, cela signifie qu'à cette époque, il n'y avait que trois variétés de neutrinos. Pour comprendre la signification des résultats de LSND, MiniBooNE et d'autres expériences, "une certaine plate-forme théorique complètement nouvelle est nécessaire", a déclaré Slozar.

De plus, en particulier les neutrinos stériles qui sont hypothétiquement capables de s'insérer dans les données obtenues sur le MiniBooNE, ne résolvent aucun casse-tête, à cause duquel les physiciens ont généralement commencé à construire des théories sur l'existence de telles particules. Les neutrinos stériles, étant assez lourds, pourraient expliquer la «matière noire» invisible, qui, apparemment, enveloppe les galaxies. Ils expliqueraient pourquoi les neutrinos électroniques, muons et tau sont si légers en utilisant une astuce mathématique appelée le mécanisme de bascule . Mais avec une masse inférieure à 1 eV, le prétendu neutrino stérile du MiniBooNE manque de masse aux fins décrites. «Nous n'aurions aucune raison de nous attendre à des neutrinos stériles [en masse] 1 eV», a déclaré Matthew Buckley , spécialiste en physique des particules de l'Université Rutgers. "Mais ce n'est pas que dans le passé, l'Univers l'a empêché de nous ajouter de nouvelles particules."

La confusion a conduit de nombreux experts à contenir l'optimisme et à commencer à soupçonner que MiniBooNE et LSND ont été victimes d'une erreur inconnue. Freya Blackman , physicienne à l'Université libre de Bruxelles, soutient que les expériences pourraient systématiquement sous-estimer la vitesse à laquelle les pivoines neutres se désintègrent dans un réservoir d'huile MiniBooNE - et ces événements imitent les signaux des neutrinos électroniques.

"Il est clair qu'il y a quelque chose à régler ici, et j'espère qu'il s'agit du quatrième neutrino", a déclaré Neil Weiner , physicien théoricien à l'Université de New York. «Compte tenu de cela, nous rappelons que ce serait la première particule à s'ouvrir au-delà du modèle standard, donc le seuil pour prouver son existence est évidemment très élevé.» Pour l'instant, il a déclaré: «Je suis enclin à l'approche de« attendre, voir ».

Une réponse plus précise apparaîtra dans les expériences futures, y compris IsoDAR proposé par Conrad et beaucoup de ses collègues. Au lieu de compter le nombre de neutrinos d'une certaine sorte à la fin du faisceau, il verra comment les neutrinos oscillent entre les différentes variétés pendant le voyage, ce qui donnera une image plus complète des oscillations. "Je ne mettrais pas mon argent sur ce projet pour le moment, car cet excès de neutrinos n'est qu'un point du calendrier", a déclaré Conrad. "Et si la tache pouvait être causée par autre chose?" Pour être vraiment convaincu de cela, j'ai besoin de voir ces fluctuations prévues avec une bonne signification statistique. "