Les neutrinos sont avec nous depuis le début. Ils existaient aux côtés des humains préhistoriques, des dinosaures et des premières miettes de vie éparses sur Terre. La naissance du système solaire, la formation de l’échafaudage cosmique de l’univers, les instants qui ont suivi le Big Bang – tout cela était inondé de particules subatomiques légères auxquelles nous avons donné le nom de neutrino.
Mais ce n’est qu’au cours des 70 dernières années que nous avons eu la certitude qu’ils étaient là. En 1956, les physiciens Clyde Cowan et Frederick Reines dévoilent l'existence de ces particules.
Et ils existent. Pas non plus dans une douce pénurie. Il s’agit de la particule massive la plus abondante dans l’univers, dépassant en nombre les protons d’environ un milliard pour un. Les scientifiques sont encore aux prises avec la signification de ces particules. Et les neutrinos ne sont pas non plus un simple type de particule, mais un trio de particules – neutrinos électroniques, neutrinos muoniques et neutrinos tau – et leurs particules d’antimatière correspondantes, que les physiciens appellent tous collectivement neutrinos.
D'autres particules ont leurs inconnues, mais « pour les neutrinos, la liste des questions est plus profonde et plus fondamentale que pour toute autre chose », explique Diana Parno, physicienne des neutrinos, de l'Université Carnegie Mellon de Pittsburgh. Nous ne savons pas si les particules sont leurs propres antiparticules ou si d'autres types de neutrinos se cachent. Certains scientifiques se demandent si les neutrinos pourraient expliquer pourquoi l’univers est rempli de matière et ne contient qu’une infime quantité d’antimatière.
Le plus flagrant est peut-être que nous ne connaissons pas la masse des particules. Nous savons que leurs masses doivent être incroyablement petites, mais pas nulles. Cela les rend sournoisement difficiles à mesurer.
Pour rendre les choses encore plus compliquées, les neutrinos n’ont pas de charge électrique et interagissent avec d’autres matières via un effet de mauviette appelé interaction faible. Cela a obligé Reines et Cowan à concocter des techniques inventives pour les repérer. Leurs travaux ont créé un précédent : pour étudier le neutrino, l’ingéniosité est indispensable.
Comment les chasseurs de neutrinos ont réussi
En 1930, le physicien Wolfgang Pauli a proposé l'existence de neutrinos pour expliquer les énergies des électrons émis lors des désintégrations radioactives. Dans ces désintégrations, appelées désintégrations bêta, un noyau se transforme en un autre, émettant un électron. La conversion libère une quantité fixe d'énergie. Si seul l'électron était émis, on s'attendrait à ce qu'une désintégration donnée produise des électrons avec une énergie spécifique. Au lieu de cela, les électrons ont été observés avec une gamme d’énergies. La situation était si désespérée que certains physiciens ont envisagé d’abandonner le concept de conservation de l’énergie, pilier fondamental de la physique. Au lieu de cela, Pauli a proposé qu'une particule sans charge électrique soit également libérée, transportant une quantité variable d'énergie. Il aurait déclaré : « J’ai fait une chose terrible, j’ai émis l’hypothèse d’une particule qui ne peut pas être détectée. »
Pauli avait tort, mais les particules ont échappé à la détection pendant 25 ans respectables. L'expérience Reines-Cowan a eu lieu dans un réacteur nucléaire. Étant donné que de nombreuses désintégrations radioactives se produisent dans les réacteurs nucléaires, ceux-ci constitueraient une puissante source de neutrinos si les particules existaient. (Plus précisément, ces particules seraient des antineutrinos.) L'expérience, réalisée à l'usine de Savannah River en Caroline du Sud, était beaucoup plus pratique que le plan initial : faire tomber un détecteur dans un puits souterrain rembourré de plumes et de caoutchouc mousse tout en déclenchant simultanément une bombe atomique à proximité.
L’astuce pour réaliser l’expérience dans un réacteur consistait à mesurer deux signaux dos à dos. Lorsqu’un antineutrino interagissait avec un proton dans le détecteur, il produisait un neutron et un positron – l’équivalent antimatière d’un électron. Le positon s'annihilerait rapidement avec un électron, libérant une lumière à haute énergie appelée rayons gamma qui pourrait être détectée dans un liquide appelé scintillateur, qui s'allume en réponse au rayonnement. Le neutron flânait un peu avant d'être capturé par un noyau, qui libérait davantage de rayons gamma et provoquait un éclair retardé dans le scintillateur.
Le détecteur de Cowan et Reines a été construit comme un club sandwich, avec trois couches de détecteurs à scintillateur liquide séparées par deux couches de matériau cible. La cible contenait de l'eau et du chlorure de cadmium, ce dernier étant choisi pour sa capacité à capturer les neutrons errants. Un double flash, produit dans les couches adjacentes du détecteur, était une caractéristique de l'antineutrino, le lub-dub concluant de son battement de cœur figuratif.
Sans ce battement de cœur pour filtrer les événements parasites, Reines et Cowan n'auraient pas été en mesure de détecter les antineutrinos dans un réacteur. Cette solution créative à un problème autrefois considéré comme insoluble a valu à Reines le prix Nobel de physique en 1995 (Cowan est décédé en 1974.)
Depuis lors, les scientifiques ont détecté des neutrinos en utilisant la calotte glaciaire de l’Antarctique, la mer Méditerranée et en effectuant des expériences en profondeur. Les scientifiques ont repéré des neutrinos produits par le soleil, au plus profond de la Terre, dans l'atmosphère et dans l'espace, notamment par l'explosion d'une étoile dans une galaxie proche. Les expériences ont révélé que les particules oscillent ou se transforment d'un type à un autre. Ce phénomène ne peut se produire que si les neutrinos ont une masse, mais cela ne révèle pas leur masse.
De nouvelles techniques visent à dévoiler le neutrino
La découverte que les neutrinos ont une masse signifie qu'ils entrent en conflit avec la théorie de la physique des particules des physiciens, le modèle standard. La théorie de base suppose que les neutrinos n’ont pas de masse. Les neutrinos sont donc une confusion.
« Les neutrinos apportent quelque chose d'autre, en dehors du modèle standard, et nous essayons de comprendre de quoi il s'agit », explique le physicien Enectali Figueroa-Feliciano de l'Université Northwestern. « Nous voulons mesurer les neutrinos de toutes les manières possibles, car ils ne font pas toujours ce que nous attendons d'eux. »
Les physiciens continuent donc à pousser les détecteurs plus loin. En 2017, des scientifiques ont repéré pour la première fois des neutrinos interagissant avec un noyau entier à la fois, plutôt qu’avec un proton ou un neutron individuel. De telles réactions sont plus courantes que les interactions avec des protons ou des neutrons, mais la détection du léger déplacement du noyau des neutrinos nécessite des capteurs très sensibles. Les détecteurs détectent les éclairs de lumière générés par le recul des noyaux dans les cristaux. Ces détections impliquaient des sources de neutrinos en laboratoire, mais les scientifiques ont également repéré ce processus initié par les antineutrinos de plus faible énergie provenant des réacteurs nucléaires, ont rapporté des chercheurs l'été dernier dans Nature. Cela ouvre la possibilité d’utiliser la technologie des détecteurs pour surveiller les réacteurs nucléaires en vue du développement d’armes.
Pour mesurer encore plus précisément les interactions neutrino-noyau, Figueroa-Feliciano vise à utiliser un capteur de bord de transition – essentiellement un thermomètre extrêmement sensible – pour détecter la chaleur générée par les noyaux en recul. En cas de succès, cette approche permettrait aux scientifiques de tester le modèle standard d’une nouvelle manière.
Une autre équipe utilise des capteurs de transition pour tenter d’obtenir des masses de neutrinos. L'expérience HOLMES en Italie utilise des capteurs de transition intégrant l'élément radioactif holmium-163. Lorsque l'holmium se désintègre, il se transforme en un autre élément et émet un neutrino. Le neutrino qui s'échappe provoque le recul du noyau. La mesure de ces reculs peut donner un aperçu de la masse des neutrinos. Cette technique a fixé un plafond à la masse des neutrinos, ont rapporté les chercheurs de HOLMES l'automne dernier dans Lettres d'examen physiquebien qu'il ne surpasse pas encore les autres méthodes de contrainte des masses des neutrinos.
Le physicien de Yale, David Moore, a un autre plan pour mesurer le recul, avec des nanosphères festonnées d'éléments radioactifs et lévitées à l'aide d'un faisceau laser. L'observation du mouvement des nanoparticules lors de leur recul après la désintégration radioactive pourrait révéler s'il existe des neutrinos plus lourds qui se cachent et peut-être un jour déterminer la masse des neutrinos connus. En 2024, Moore et ses collègues ont démontré la preuve du principe en mesurant le recul produit par une désintégration radioactive qui émet une particule alpha, le noyau d’un atome d’hélium. Les neutrinos sont la prochaine étape, dit Moore.
La masse des neutrinos n’a pas seulement un intérêt théorique. « Il est important de connaître la masse pour le plaisir, mais c'est aussi important parce que la masse des neutrinos est importante pour la cosmologie », explique le physicien Matteo Borghesi de l'Université de Milan-Bicocca, qui travaille sur HOLMES. Les masses des neutrinos ont contribué à façonner la structure des galaxies. Les scientifiques peuvent utiliser ce fait pour tenter de déterminer la masse maximale possible du neutrino en observant les galaxies dans l’espace. Mais des questions tournent également autour de ces chiffres. Il semble y avoir une tension entre ce que découvrent les expériences sur le terrain et ce que les scientifiques estiment sur la base du cosmos.
La ruse pourrait sembler faire partie de la nature des neutrinos. Mais la difficulté de les comprendre tient surtout à leurs masses minuscules et à leurs faibles interactions. « Ce n'est pas comme si le neutrino était assis là à penser : 'D'accord, que puis-je faire à côté de ces physiciens ?' », dit Parno en croisant les mains et en remuant ses doigts pour faire semblant d'être infâme.
Mais les particules semblent destinées à se mettre sous la peau des physiciens. C'est un peu comme les énigmes du Chapelier Fou. Qu'est-ce qui est crucial pour la structure de l'univers mais aussi imperceptible ? Comment peut-on savoir qu’une particule a une masse sans connaître sa masse ?
Comment détecter une particule indétectable ?
Au moins Reines et Cowan ont battu le Chapelier Fou sur celui-là.
