Pourquoi les physiciens chassent le plus étrange des particules fantômes


Chaque seconde de chaque jour, vous êtes bombardé par des trillions sur des milliards de particules subatomiques, se déversant des profondeurs de l'espace. Ils vous traversent avec la force d'un ouragan cosmique et se projettent presque à la vitesse de la lumière. Ils viennent de partout dans le ciel, à toute heure du jour et de la nuit. Ils pénètrent dans le champ magnétique terrestre et notre atmosphère protectrice comme autant de beurre.

Et pourtant, les cheveux sur le dessus de votre tête ne sont même pas ébouriffés.

Que se passe-t-il?

Ces minuscules balles sont appelées neutrinos, terme inventé en 1934 par le brillant physicien Enrico Fermi. Le mot est vaguement italien pour "petit neutre" et leur existence a été supposée expliquer une réaction nucléaire très curieuse. [The Biggest Unsolved Mysteries in Physics]

Parfois, les éléments se sentent un peu… instables. Et s'ils restent seuls trop longtemps, ils se désagrègent et se transforment en autre chose, quelque chose d'un peu plus léger dans le tableau périodique. De plus, un petit électron sortirait. Mais dans les années 1920, des observations minutieuses et détaillées de ces désintégrations ont révélé de minimes écarts minimes. L'énergie totale au début du processus était un peu plus grande que l'énergie qui en sortait. Les maths n'ont pas abouti. Impair.

Ainsi, quelques physiciens ont concocté une particule toute neuve dans un tissu. Quelque chose à emporter l'énergie manquante. Quelque chose de petit, de léger, de gratuit. Quelque chose qui pourrait passer inaperçu dans leurs détecteurs.

Un peu neutre. Un neutrino.

Cela a pris deux décennies supplémentaires pour confirmer leur existence – voilà à quel point ils sont glissants, rus et sournois. Mais en 1956, les neutrinos ont rejoint la famille grandissante de particules connues, mesurées et confirmées.

Et puis les choses sont devenues étranges.

Les problèmes ont commencé à se manifester avec la découverte du muon, qui s'est produite par hasard à peu près au même moment où l'idée du neutrino commençait à gagner du terrain: les années 1930. Le muon est presque exactement comme un électron. Même charge. Même spin. Mais il est différent d’une manière cruciale: il est plus lourd, plus de 200 fois plus massif que son frère, l’électron.

Les muons participent à leurs propres réactions, mais ne durent pas longtemps. En raison de leur volume impressionnant, ils sont très instables et se désintègrent rapidement en averses de bits plus petits ("rapidement" ici signifie ici dans une microseconde ou deux).

C’est très bien, alors pourquoi les muons font-ils partie de l’histoire des neutrinos?

Les physiciens ont remarqué que les réactions de désintégration suggérant l'existence du neutrino avaient toujours un éclat d'électrons et jamais un muon. Dans d'autres réactions, les muons sortiraient, pas les électrons. Pour expliquer ces résultats, ils ont expliqué que les neutrinos correspondaient toujours aux électrons dans ces réactions de désintégration (et pas n'importe quel autre type de neutrino), alors qu'électron, le muon doit s'associer à un type de neutrino non encore découvert. neutrino favorable aux électrons ne serait pas en mesure d'expliquer les observations des événements de muons. [Wacky Physics: The Coolest Little Particles in Nature]

Et ainsi la chasse a continué. Et sur. Et sur. Ce n'est qu'en 1962 que les physiciens ont finalement réussi à maîtriser le deuxième type de neutrino. Il était à l'origine surnommé le "neutretto", mais des têtes plus rationnelles ont prévalu avec le schéma de l'appeler le neutrino du muon, puisqu'elles se sont toujours associées à des réactions avec le muon.

Ok, donc deux neutrinos confirmés. La nature nous a-t-elle plus réservé? En 1975, des chercheurs du Centre de l’accélérateur linéaire de Stanford ont courageusement passé au crible des montagnes de données monotones pour révéler l’existence d’un frère encore plus lourd, l’électron agile et le muon lourd: le tau imposant, enregistrant 3 500 fois la masse de l’électron. . C'est une grosse particule!

Alors immédiatement la question est devenue: S'il y a une famille de trois particules, l'électron, le muon et le tau… pourrait-il y avoir un troisième neutrino, à coupler avec cette nouvelle créature?

Peut-être peut-être pas. Peut-être n'y a-t-il que les deux neutrinos. Peut-être qu'il y en a quatre. Peut-être que 17. La nature n'a pas encore répondu à nos attentes, alors aucune raison de commencer maintenant.

Ignorant de nombreux détails macabres, au fil des décennies, les physiciens se sont convaincus, à l'aide de nombreuses expériences et observations, qu'un troisième neutrino devrait exister. Mais ce n’est que vers la fin du millénaire, en 2000, qu’une expérience spécialement conçue à Fermilab (appelée avec humour l’expérience DONUT, pour l’observation directe du NU Tau, et non, je n’invente pas cela) a finalement eu suffisamment d'observations confirmées pour réclamer à juste titre une détection.

Alors, pourquoi nous soucions-nous autant des neutrinos? Pourquoi les poursuivons-nous depuis plus de 70 ans, d’avant la Seconde Guerre mondiale à l’ère moderne? Pourquoi des générations de scientifiques ont-elles été si fascinées par ces petites personnes neutres?

La raison en est que les neutrinos continuent de vivre en dehors de nos attentes. Pendant longtemps, nous n'étions même pas sûr qu'ils existaient. Pendant longtemps, nous avons été convaincus qu’ils étaient complètement dépourvus de masse, jusqu’à ce que des expériences fassent découvrir qu’ils doivent avoir une masse. Exactement "combien" reste un problème moderne. Et les neutrinos ont la fâcheuse habitude de changer de caractère pendant leurs voyages. En effet, lorsqu'un neutrino voyage en vol, il peut changer de masque entre les trois saveurs.

Il pourrait même y avoir encore un neutrino supplémentaire qui ne participe pas aux interactions habituelles – ce que l’on appelle le neutrino stérile, que les physiciens recherchent avidement.

En d'autres termes, les neutrinos défient continuellement tout ce que nous savons sur la physique. Et s'il y a une chose dont nous avons besoin, à la fois dans le passé et dans le futur, c'est un bon défi.

Paul M. Sutter est astrophysicien à Université d'État de l'Ohio, hôte de Demandez à un astronaute et Radio spatialeet auteur de Votre place dans l'univers.

Publié à l'origine sur Science en direct.