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24 juillet 2018 2 24 /07 /juillet /2018 08:10

Les neutrinos sur de multiples scènes.

Scène I : Interprétation d’un résultat d’expérience controversée. Article du 4/6/2018

            La publication du résultat d’expérience qui s’intitule : Mini Booster Neutrino Experiment (MiniBooNe) au Fermilab (près de Chicago) et qui aurait mis en évidence des neutrinos stériles a immédiatement provoqué des réactions contestant ce résultat. Ce ou ces fameux neutrinos stériles sont théoriquement utiles dans le cadre des modèles standards pour combler les failles au sein de ces modèles. Stériles parce qu’ils n’interagissent pas du tout et sont indétectables, contrairement aux cousins : νe, νµ, ντ, qui interagissent très, très…faiblement mais sont quand même détectables très, très… faiblement. Ces trois cousins, avec trois saveurs distinctes (électronique, muonique, tauique) peuvent nous apparaître dans des saveurs différentes dans les détecteurs appropriés, et il est inféré qu’ils oscillent d’une saveur à une autre. A force d’observations on pense avoir une bonne connaissance de la probabilité de l’oscillation d’une saveur à une autre grâce à une évaluation des ‘angles de mélange’ entre les saveurs.

            Si on observe effectivement des écarts avec ces angles de mélange on pourrait déduire qu’il y a un processus qui perturbe les prévisions théoriques. C’est exactement ce qui fut l’objet de la publication du Fermilab. A l’origine, le faisceau est constitué de νµ qui oscillent en νe suivant une proportion prédite par le modèle standard. Toutefois à la détection, selon l’équipe du Fermilab, le nombre de neutrinos de saveur électronique est significativement plus important. En conséquence, il est considéré que cet excès est dû au fait qu’une certaine proportion de neutrinos muoniques oscillent préalablement en neutrinos stériles avant d’apparaître dans le détecteur en neutrinos électroniques. Ce résultat, s’il était confirmé, ouvrirait la porte à des phénomènes et des objets qui signaleraient un au-delà des modèles standards (des particules élémentaires et celui de la cosmologie) soit une nouvelle physique.

            En fait ce résultat a été rapidement considéré comme douteux par plusieurs équipes de chercheurs de plusieurs autres expériences qui n’ont jamais rien observé de tel. De plus, a priori, si le neutrino stérile existait, il aurait une masse bien plus importante que celle vraisemblable s’il était effectivement inclu dans le processus d’oscillation de ses cousins.

            En résumé le grand scepticisme à l’égard du résultat proclamé est réuni dans l’article du 4/06 de A. Cho qui titre : « Les comptes-rendus sur la résurrection du neutrino stérile seraient grandement exagérés. » Il rappelle toutes les expériences et données qui ne confirment pas l’existence de ce neutrino spécifique ainsi que le résultat déterminé par l’équipe du satellite Planck, publié en 2013, indiquant qu’il n’y a que trois types de neutrinos et pas plus, ceux déjà identifiés à partir de son invention dans les années 1930 par Pauli. Eh oui ! depuis cette époque les progrès de la connaissance sur ces objets sont très lents et la première signature observée attribuée au neutrino électronique date de 1956. Voir mes articles du 14/10/2015 ; du 26/10/2016 ; du 30/10/2016.

Notre connaissance toujours très faible sur les neutrinos s’explique par le fait que la très grande majorité des physiciens s’obstine à étudier, dans le cadre du modèle standard des particules élémentaires : « Les propriétés physiques des neutrinos. », alors que cette majorité devrait étudier ouvertement : « La physique des neutrinos », ceux-ci étant les vecteurs d’une physique avec des propriétés hors ce modèle standard. L’ignorance accumulée et persistante de ces objets présente l’inconvénient majeur de les exploiter à toutes les sauces, ainsi ce 17/07 on peut lire encore sur le site Physicsworld le titre d’un article : ‘Mysterious radio signals could be from new type of neutrino.’ ; ‘Des mystérieux signaux radios pourraient provenir d’un nouveau type de neutrino.’ Quand il y a du mystère, de l’ignorance, les neutrinos sont convoqués.

Scène II : Une expérience voit une solide évidence de l’oscillation d’un antineutrino. Article du 4/06/2018.

            Cette annonce est une première car jusqu’à présent l’oscillation de l’antineutrino muonique en un antineutrino électronique n’avait jamais été observée d’une façon certaine. L’intérêt de savoir si les antineutrinos se comportent de la même façon, ou pas, que les neutrinos, nous permettra peut-être de mettre en évidence des propriétés non encore élucidées au sein de l’univers ainsi que son évolution, notamment pourquoi la matière a gagné sur l’antimatière, une fraction de seconde après le Big Bang, et conséquemment pourquoi nous sommes là.

            Il ne faut pas oublier que nous ne savons toujours pas si les neutrinos sont leurs propres antineutrinos, c’est-à-dire qu’ils seraient des particules de Majorana. Les antineutrinos sont encore plus difficiles à détecter que les neutrinos. Il est pensé que les neutrinos ont une masse au repos mais on est incapables de mesurer directement chacune de leur masse. Toutefois on pense avoir déterminé l’ordre de ces masses. La masse du neutrino tauique > du neutrino muonique > du neutrino électronique. Je doute qu’il soit possible de confirmer ce type de résultat si l’on continue de leur attribuer une masse correspondant à E = mc2 et mi = mg alors que nous sommes dans l’impossibilité d’observer ces objets sur leur ligne de vol, nous sommes incapables de leur attribuer une masse d’inertie, de les accélérer ou de constater une accélération, de les ralentir ou de constater une décélération, nous ne pouvons les deviner que par la signature de leur très, très, faible interaction avec la matière.

                Il semblerait (sic) que certains physiciens soient prêts à admettre que si les neutrinos ont une masse, celle-ci serait d’une nature différente à celle que l’on attribut communément aux autres particules élémentaires (lu dans un article du 09/07). Si c’est le cas je considère que c’est le début d’un éveil. A suivre !

Scène III : Les blazars sources de neutrinos de haute énergie. Nombreux articles à la mi-juillet.

            D’où proviennent les neutrinos de haute et très haute énergie ? L’hypothèse la plus probable est qu’ils sont émis par des objets astrophysiques extrêmement massifs, de plusieurs millions de fois la masse du Soleil. L’observatoire IceCube[1], situé à proximité de la base antarctique Amundsen-Scott, près du pôle Sud, est spécialisé dans la détection de ces neutrinos de très haute énergie. Le 22 septembre 2017, les physiciens travaillant sur cette expérience ont détecté un neutrino d’une énergie supérieure à 290 téraélectronvolts (1012 eV). C’est 20 fois plus que celle atteinte dans les collisions de protons au LHC du Cern ! L’observation conjointe de photons par de nombreux télescopes a permis d’identifier la source de ce neutrino : le blazar TXS 0506+056, situé à plus de 4 milliards d’années-lumière (univers local).

Les blazars sont des galaxies dites actives car elles abritent en leur centre un trou noir supermassif en activité. Une partie de la matière tournant dans un disque d’accrétion autour du trou noir est éjectée le long de l’axe de rotation du trou noir, formant deux jets de particules perpendiculaires au disque. Les blazars sont vraisemblablement la même chose que les quasars, à ceci près que leur jet pointe vers la Terre (une simple question d’angle de vue). Ils rayonnent par ailleurs fortement dans le domaine radio. Les jets contiennent une foule de particules émises à des vitesses relativistes : des photons, des électrons, des positrons, etc. Les blazars ont une activité très variable, sur des échelles de temps qui s’étalent de quelques minutes à plusieurs années. Lors d’un pic d’activité, en période d’éruption, les blazars émettent notamment des photons de haute énergie (au-dessus du gigaélectronvolt 109 eV) – des rayons gamma –, détectés par des télescopes comme Fermi ou Agile (en orbite), ou encore Magic (sur les îles Canaries). Les blazars sont une des sources possibles des neutrinos de haute énergie qui atteignent la Terre.

Cette nouvelle découverte pourrait marquer la fondation de l’astronomie neutrino. La détection met aussi en évidence un exemple puissant d'une autre nouvelle tendance, l'astronomie MultiMessagers, dans laquelle les télescopes et autres instruments ont étudié le signal du Blazard dans toutes les parties du spectre électromagnétique, des rayons gamma aux ondes radio.

Un Blazar produisant des neutrinos pourrait aussi aider à résoudre un mystère séculaire en astronomie : d'où viennent les protons d'énergie extrêmement élevée et autres noyaux qui bombardent occasionnellement la Terre ? Connues sous le nom de rayons cosmiques ultra-haute énergie, ces particules ont un million de fois plus d'énergie que celles accélérées dans nos accélérateurs de particules terrestres, mais ce qui les stimule à de telles énergies colossales est encore inconnue. Parmi les suspects, sont inclus des étoiles à neutrons, des rafales de rayons gamma, des hypernovaes et des trous noirs qui crachent des radiations au centre de certaines galaxies, mais quelle que soit la source, les neutrinos à haute énergie sont un sous-produit probable. Si l'équipe de IceCube a raison, les blazars pourraient être la première source confirmée de ces rayons cosmiques.

Scène IV : Une nouvelle étude prouve qu’Einstein a raison : Le test le plus approfondi à ce jour ne trouve aucune violation de Lorentz dans les neutrinos à haute énergie. Article du 16/07/2018.

L'univers que nous savons présentement étudier est considéré, a priori, comme un univers symétrique, selon l’hypothèse première de la théorie de la relativité restreinte d'Einstein, connue sous le nom de symétrie de Lorentz. Ce principe stipule que tout scientifique doit observer les mêmes lois de la physique, dans n'importe quelle direction, et quel que soit son cadre de référence, tant que cet objet se déplace à une vitesse constante. La symétrie de Lorentz est une symétrie fondamentale de l’espace-temps qui sous-tend et prévaut à la fois au modèle standard de la physique des particules et à la relativité générale.

Par exemple, en raison de la symétrie de Lorentz, cela implique que nous devons observer la même vitesse de la lumière - 300000 Km/seconde - si nous sommes astronautes voyageant à travers l'espace ou molécules se déplaçant dans la circulation sanguine.

Mais pour les objets infiniment petits qui opèrent à des énergies incroyablement élevées, et sur de vastes étendues de l’univers, les mêmes règles de la physique pourraient ne pas s'appliquer. À ces échelles extrêmes, il pourrait exister une violation de la symétrie de Lorentz, ou la violation de Lorentz, dans laquelle un mystérieux champ inconnu distordrait le comportement de ces objets d'une manière que la théorie d’Einstein ne prédirait pas. Alors que la théorie des cordes prévoit une violation de cette symétrie à l’échelle de la gravité quantique. Si cette violation était observée ce serait un indice favorable pour la théorie des cordes.

La chasse à cette violation a été menée, pour trouver des preuves de la violation de Lorentz, dans divers phénomènes, des photons jusqu’à la gravité, sans obtenir de résultats définitifs. Les physiciens croient que si la violation de Lorentz existe, on peut aussi le voir dans les neutrinos, les particules les plus légères connues dans l'univers, qui peuvent parcourir de vastes distances et sont produites par des phénomènes astrophysiques de haute énergie cataclysmique. La moindre confirmation que la violation de Lorentz existerait indiquerait une physique complètement nouvelle qui n’est pas inclus dans la théorie d'Einstein.

Maintenant, les scientifiques du MIT et leurs collègues sur l'expérience IceCube ont conduit la recherche la plus approfondie qui soit de la violation de Lorentz dans les neutrinos. Ils ont analysé deux années de données collectées par l'Observatoire de neutrinos de IceCube. L'équipe a cherché des variations dans l'oscillation normale des neutrinos qui auraient pu être causées par un champ de Lorentz-violation. Selon leur analyse, aucune anomalie de ce type n'a été observée dans les données, qui comprend les neutrinos atmosphériques des plus hautes énergies que toutes les expériences ont jusqu’à présent recueillies.

Le degré de précision du résultat publié est annoncé avec une exactitude de 10-28 ce qui est exceptionnel.

Toutefois, il faut rappeler que nous n’avons aucune preuve observationnelle que les neutrinos oscillent au sens physique du terme. L’hypothèse de l’oscillation de ces objets est selon mon point de vue une façon opportuniste de définir un cadre mathématique qui permet très partiellement de les domestiquer sur le plan intellectuel, mais pas plus. Ainsi dans les équations de ces oscillations, ils ont une masse d’inertie et jusqu’à présent nous sommes toujours incapables d’évaluer leurs masses. Ces trente dernières années, celles que nous avons pensé pouvoir leur attribuer se sont révélées totalement erronées. En fait, chaque fois que nous croyons avoir, enfin, la bonne théorie et les bons paramètres, ces neutrinos nous répondent toujours : « Nous ne sommes pas ce que vous croyez. »

 

[1] En 2010, le plus grand observatoire de neutrinos, IceCube, a été mis en service en Antarctique, succédant à Amanda, situé lui aussi au pôle Sud. Son principe est d’utiliser la glace de la calotte antarctique comme détecteur. En effet, quand un neutrino traverse la Terre, il a une très faible chance d’interagir avec la matière. Il produit alors une particule chargée. La détection est plus facile si cette particule est un muon (un cousin de l’électron plus lourd). Ce muon de haute énergie traverse la glace avec une vitesse supérieure à celle de la lumière dans la glace. Il produit alors un sillage de lumière bleue, nommé rayonnement Tcherenkov (c’est cet effet qui est à l’origine de la lumière bleutée dans le cœur des réacteurs nucléaires). L’observatoire IceCube en lui-même est constitué de modules optiques qui captent ce rayonnement Tcherenkov. Grâce à 86 lignes de 60 détecteurs chacune, enfouis à plus de 1 kilomètre sous la surface, l’observatoire scrute le passage de muons dans 1 kilomètre cube de glace. À partir des signaux enregistrés par les modules optiques, on peut reconstruire la direction de propagation du muon et par extension déduire la direction du neutrino initial. Et ainsi potentiellement déterminer la source des neutrinos.

 

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