Très tôt dans notre univers, alors qu'il était un chaudron d'énergie bouillonnant, des particules constituées de matière et d'antimatière bouillonnaient dans des proportions égales. Par exemple, des électrons chargés négativement ont été créés en même nombre que leurs frères et sœurs de l’antimatière, les positrons chargés positivement. Lorsque les deux particules se combinent, elles s’annulent.
Des milliards d’années plus tard, notre monde est dominé par la matière. D'une manière ou d'une autre, ça compte « a gagné » sur l'antimatière, mais les scientifiques ne savent toujours pas comment. Aujourd’hui, deux des plus grandes expériences visant à trouver des réponses – des projets axés sur des particules subatomiques appelées neutrinos – ont uni leurs forces.
Dans un nouveau Nature étude, une collaboration internationale représentant les expériences – NOvA aux États-Unis et T2K au Japon – présente certaines des mesures de neutrinos les plus précises dans le domaine. Les deux équipes ont décidé de combiner leurs données pour en apprendre davantage que n’importe quelle expérience seule ne pourrait le faire.
« En réunissant ces deux efforts, nous pouvons découvrir de nouvelles informations sur le fonctionnement des neutrinos, » déclare Ryan Patterson (BS), professeur de physique à Caltech, qui a codirigé le volet NOvA de l'étude.
L’un des objectifs des deux projets est de déterminer si les neutrinos réguliers et les antineutrinos (leurs homologues de l’antimatière) se comportent de manière asymétrique les uns par rapport aux autres. Cette asymétrie pourrait expliquer pourquoi la matière était favorisée par rapport à l'antimatière dans l'univers primitif. Les nouveaux résultats n’indiquent pas encore si tel est le cas, mais les mesures exquises rapprochent les scientifiques de la compréhension du mystère.
« La physique des neutrinos est un domaine étrange. Il est très difficile d'isoler les effets, » déclare Kendall Mahn, professeur à la Michigan State University et co-porte-parole de T2K.
Les deux expériences sont connues sous le nom de « ligne de base longue, » ce qui signifie qu'ils envoient des neutrinos parcourir la croûte terrestre sur des centaines de kilomètres. NOvA, le NuMI hors axe νe L'expérience d'apparition envoie un faisceau de neutrinos à 810 kilomètres de sa source au Laboratoire national d'accélérateur Fermi (Fermilab) du Département américain de l'énergie, près de Chicago, vers un détecteur de neutrinos de 14 000 tonnes à Ash River, Minnesota.
Le faisceau de neutrinos de l'expérience T2K parcourt 295 kilomètres à l'ouest de la ville de Tokai, au centre du Japon, jusqu'à Kamioka, d'où le nom T2K. Tokai abrite le complexe japonais de recherche sur l'accélérateur de protons (J-PARC) et Kamioka abrite le détecteur de neutrinos Super-Kamiokande, un énorme réservoir d'eau ultrapure situé à un kilomètre sous terre.
En 1998, Super-Kamiokande a découvert que les neutrinos avaient une masse, une découverte historique qui a valu à deux de ses découvreurs le prix Nobel de physique 2015.
Mais même si les neutrinos ont une masse, ils sont extrêmement légers et souvent qualifiés de fantomatiques en raison de leur capacité à voyager sans entrave à travers des substances comme le sol situé sous nos pieds.
Il en existe trois types : le neutrino électronique, le neutrino du muon et le neutrino du tau. Lorsque les neutrinos voyagent dans l’espace ou dans le sol, ils peuvent changer de saveur. Si vous considérez les saveurs comme celles de la fraise, du chocolat et de la vanille, ce serait comme trouver votre cornet de glace à la fraise transformé en chocolat sur le chemin du retour.
Le phénomène, appelé oscillation des neutrinos, est lié au fait que chaque saveur est une superposition quantique de trois masses différentes. « les États, » chacun avec sa propre masse distincte. Au fur et à mesure que les neutrinos se déplacent, les proportions relatives de chacun de ces trois états de masse changeront, ce qui changera leur saveur.
La grande question pour les scientifiques neutrinos est de savoir si les neutrinos et les antineutrinos réguliers changent de saveur de manière différente et asymétrique. S’ils le font, cela contribuerait à résoudre le problème de l’antimatière manquante.
Pour étudier l'oscillation des neutrinos, les chercheurs produisent des neutrinos ou des antineutrinos d'une saveur spécifique à la source des expériences, puis mesurent quelles saveurs arrivent aux détecteurs. Dans le cas de NOvA, par exemple, cela signifie envoyer les particules du laboratoire Fermi au détecteur du Minnesota.
« Lorsque nos neutrinos traversent la croûte terrestre, ils détectent en cours de route un autre type d'asymétrie, en plus de l'éventuelle asymétrie intrinsèque des particules elles-mêmes. C'est cette asymétrie intrinsèque qui pourrait expliquer en partie le manque d'antimatière dans notre univers, » dit Patterson. « Les deux effets nous apprennent de nouvelles choses sur les neutrinos, mais il est essentiel de les séparer. »
Un aspect délicat de l’étude de l’oscillation des neutrinos est que les scientifiques ne connaissent pas les masses réelles des trois états de masse constituant chaque saveur du neutrino. C'est comme savoir que la glace à la fraise, au chocolat et à la vanille est composée de trois ingrédients uniques dans des proportions différentes, mais sans savoir à quel point les ingrédients sont lourds.
Les scientifiques tentent activement de comprendre l’ordre relatif des trois états de masse. Dans le cas de nos trois ingrédients de crème glacée, cela revient à demander comment leurs masses se comparent. Il existe deux schémas de commande possibles. Dans l’ordre dit normal, deux des états de masse sont relativement légers et un est lourd, tandis qu’un ordre inversé comporte deux états de masse plus lourds et un état léger.
« Résoudre la question de l'ordre est un autre objectif central dans le domaine, » Patterson explique. « Il est lié à un large éventail de phénomènes allant de l’échelle subatomique à l’échelle cosmologique. »
Les résultats combinés de NOvA et T2K jusqu’à présent ne favorisent pas un scénario de commande massive par rapport à un autre. Cependant, si les résultats futurs montrent que l'ordre des masses des neutrinos est inversé et anormal, les résultats de NOvA et T2K publiés aujourd'hui prouvent que les neutrinos présentent effectivement l'asymétrie suspectée, expliquant potentiellement pourquoi l'univers est dominé par la matière plutôt que par l'antimatière.
À l’avenir, les scientifiques analyseront davantage de données de NOvA et T2K, ainsi que de données acquises par les expériences sur les neutrinos prévues qui, lorsqu’elles seront opérationnelles au début des années 2030, fourniront des mesures encore plus précises. Les scientifiques de Caltech, dirigés par Patterson, contribuent au développement de l'expérience DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) basée au laboratoire Fermi, en construction dans l'Illinois et le Dakota du Sud.
Avec sa ligne de base plus longue de 1 300 kilomètres, DUNE sera plus sensible à l'ordre de masse des neutrinos que NOvA et T2K, et pourrait donner aux physiciens une réponse concluante peu de temps après son activation.
Le Japon construit également une nouvelle expérience sur les neutrinos, Hyper-Kamiokande, une suite de Super-Kamiokande, et la Chine construit une expérience appelée Observatoire souterrain de neutrinos de Jiangmen.
