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5 décembre 2018 3 05 /12 /décembre /2018 10:06

Cette particule qui focalise nos ignorances persistantes sur les neutrinos.

Les physiciens nomment cette particule : le neutrino stérile. Peut-être que cette particule existe ou n’existe pas. Selon mon point de vue elle est très certainement le foyer de la convergence de toutes les ignorances accumulées en ce qui concerne les neutrinos dès le premier acte de création de ceux-ci en 1930 par W. Pauli. Ignorances qui se sont accumulées parce que dès qu’il y avait une hypothèse à formuler à leur propos, elle l’était toujours dans le cadre du modèle standard en cours de conception et en aucun cas elle n’était appropriée. De fait, cette hypothèse ajoutait de l’ignorance. Je crois que la plus néfaste est celle qui malheureusement fait presque l’unanimité chez les physiciens : puisqu’il y a oscillation des saveurs entre les trois neutrinos, alors ils sont dotés d’une masse d’inertie. Effectivement, nous disposons des moyens mathématiques pour rendre compte de cette oscillation en leur attribuant une mi mais c’est là le recours à une facilité qui a un coût très élevé. Je considère que les neutrinos sont les vecteurs d’une autre physique c’est-à-dire que tant que l’approche des propriétés physiques des neutrinos est pensée dans le cadre du modèle standard elle est totalement biaisée.

Cet article fait suite à celui du 24/07/2018 et comme vous pouvez le constater les énigmes s’accumulent. C’est une bonne raison pour garder un contact étroit avec celles-ci car c’est de cette façon que finira par surgir l’eurêka : « Mais oui ! mais c’est bien sûr »

Dans cet article je fais plusieurs références à celui du 21/11/2018 dans le NewScientist, « Comment une particule oubliée, fantôme, pourrait sauver la physique. » ; « Il y a plusieurs années, elle fut théorisée, mais jamais observée. Maintenant il semble que le neutrino stérile pourrait fixer les failles de la physique fondamentale – si seulement on pouvait l’observer. »

            Attribuer aux neutrinos la propriété de se transformer l’un dans l’autre résout le problème du neutrino solaire, mais d’autres mystères restent. Le plus vexant de ceux-là datent des années 1990, quand une expérience appelée : « Liquid Scintillator Neutrino Detector (LNSD), à Los Alamos, New Mexico » a trouvé que les antineutrinos muoniques oscillaient en des antineutrinos électroniques plus rapidement que prévu. Ce résultat a été confirmé par une deuxième expérience, MiniBooNE, qui a fonctionné au Fermilab, Illinois, de 2002 à 2017.

            Soit ces expériences sont marquées par le même défaut, ou bien quelque chose de plus profond se produit. « L’anomalie : LNSD/MiniBooNE est un mystère authentique ».

            Une autre base de résultats confondants est fournie par la désintégration radioactive dans les réacteurs nucléaires. Un peu comme dans le soleil, cette désintégration est une très grande source de neutrinos. Pour une raison inexplicable, les réacteurs nucléaires sur terre fournissent de l’ordre de 6% moins d’antineutrinos électroniques que ne le prédit le modèle standard.

            Donc : trop d’antineutrinos électroniques produit d’un coté et pas assez de l’autre. Qu’est-ce qui se passe sur la terre ?

            C’est là où le neutrino stérile intervient. Au lieu d’un trio net de neutrinos, l’idée est d’en inventer un quatrième, de saveur ‘stérile’ mais capable de se confondre par oscillation avec les trois autres. Cela est une gageure sachant que les neutrinos des trois générations : électronique, muonique, tauique, sont partie prenante du modèle standard, en même temps ce nombre continue d’être un mystère mais inventer une nouvelle génération ou bien considérer que le neutrino stérile est une anomalie isolée, assure la pérennité du casse-tête.

            Contrairement à ses jumeaux, qui eux interagissent via l’interaction faible, le neutrino stérile ressentirait seulement l’interaction gravitationnelle. L’idée a été proposée en 1958 par B. Pontecorvo, comme une possibilité pour les neutrinos de se transformer en antineutrinos. Mais la stérilité de cette particule proposée signifie qu’il serait presque indétectable. Son intérêt a donc rapidement faibli, jusqu’à ce que les anomalies le réactivent.

            La logique commande que les expériences MiniBooNE et LSND voient plus de neutrinos électroniques que prédits parce que les neutrinos stériles supplémentaires se désintègrent dans cette sorte. Et la raison pour laquelle les réacteurs en produisent moins s’explique du fait que les neutrinos électroniques se seraient désintégrés en la contrepartie stérile.

            Convoquer l’existence du neutrino stérile pourrait aussi bien exorciser un bon nombre d’autres problèmes. Les masses des neutrinos sont minuscules, plus d’un million de fois plus faible que l’électron (sic). Les raisons de cet écart sont inconnues, mais un quatrième plus massif pourrait offrir une solution. Via un processus reconnu comme le mécanisme de seesaw (balançoire), sa masse accrue conduirait les masses des autres vers le bas, comme pour les tout-petits qui montent et descendent sur une balançoire.

            Les mêmes particules ont été proposées en tant que candidats plausibles de la matière noire (sic). D’autres physiciens disent que le(s) neutrino(s) stérile(s) pourraient résoudre la question du : pourquoi l’antimatière, produite en quantité égale avec la matière, au début de l’univers, a maintenant complètement disparue. Si cela était ainsi : trois casse-têtes de la physique seraient résolus grâce à une seule théorie.

            Hélas, rien de ce qui implique le neutrino n’est simple.

            A chaque expérience suggérant des signaux d’un neutrino stérile, il y a une autre indication qui nous conduit à sa non-existence. Le plus concerné par cette situation est l’univers lui-même : l’arrangement présent des étoiles et des galaxies, et les faibles échos survivant du big bang. Comme le confirme le physicien Raymond Volkas (université de Melbourne) : « Si des neutrinos stériles ont existé et ont traversé l’histoire de l’univers, alors leurs présences auraient causé un cosmos avec une apparence différente que celle qui nous apparaît courante. »

            Il y a plus, l’anomalie relevée auprès des réacteurs a été récemment remise en question. Plusieurs expériences maintenant en fonctionnement placent les détecteurs de neutrinos plus près des réacteurs nucléaires qu’avant et favorisent en conséquence une plus précise disparition de l’antineutrino électronique. Bien que les analyses statistiques des données ne soient pas encore suffisantes, les résultats préliminaires suggèrent que les anomalies auraient disparues (sic).

            Les derniers résultats de MiniBooNE fournis au début de l’année, embrouillent les choses encore plus : Ils indiquent une anomalie plus importante qu’avant. Certains déclarent qu’il y a donc une forte évidence de l’existence de cette particule hypothétique. Mais si un neutrino stérile existe, le neutrino muonique ne devrait pas se transformer uniquement en neutrinos électroniques durant son parcours jusqu’au détecteur car certains devraient disparaitre aussi.  

            Jusqu’à présent la disparition du neutrino muonique n’a jamais été constaté. « Le récent renforcement de l’actuelle anomalie de MiniBooNE provoque une situation bien pire, parce que le signal d’apparition plus fort implique tout autant un signal de disparition plus fort. » nous dit R. Volkas.

            Durant les 15 années pendant lesquelles MiniBooNE était hors course, les physiciens ont organisé un bon nombre de petites expériences pour tenter de tester cette disparition explicitement. Une des plus importantes appelée MINOS+, est installée au Fermilab. Durant 10 ans celle-ci et ces prédécesseurs ont fonctionné et le neutrino muonique a résolument refusé de disparaître. Ceci pose des limites sévères ce sur quoi peut ressembler un quelconque neutrino stérile potentiel, si éventuellement il existe.

             Janet Conrad (MIT) nous dit que les expériences qui sont conformes à nos attentes comme MINOS+, sont historiquement moins examinées que celles comme LSND et MiniBooNE qui nous donnent des signaux non attendus. « Les limites appellent beaucoup moins d’examens que les anomalies. »

            Toutefois, ces temps-ci, Bill Louis, physicien au Fermilab a décidé de procéder à l’examen des résultats de MINOS+ et de la façon dont l’équipe les a analysés. La collaboration MINOS+ a travaillé très durement pour analyser les données. Ceci étant dit, il pense que des erreurs dans les données ont pu être négligées, conduisant l’équipe à éliminer les disparitions avec une grande certitude non justifiées.

            Le plus récent article de MINOS+ a dû attendre pour publication jusqu’à Octobre de l’année dernière, retardé pour inclure les résultats fournis par Louis. Bill Louis a recensé la moitié des problèmes évidents. L’équipe MINOS a travaillé avec Louis et d’autres et a affiné ses résultats.

Faisons le point : si les résultats de MiniBooNE et MINOS+ survivent après les examens approfondis, alors le neutrino stérile par lui-même ne tranchera rien. Nous avons besoin de quelque chose d’autre pour expliquer pourquoi la même particule provoque la survenance des neutrinos électroniques et muoniques, mais provoque uniquement la disparition des neutrinos électroniques. Quelques modèles théoriques inventent une nouvelle force qui pourrait résoudre le désaccord. Ou bien, peut être que nous n’avons pas besoin d’inventer quoi que ce soit au-delà du modèle standard. « Cela se pourrait qu’ainsi est la physique nucléaire, que nous ne comprenons pas bien. », dit J. Conrad.

Quand dans des expériences comme MiniBooNE sont cherchées des oscillations de neutrinos, la nature des oscillations dépend de l’énergie du neutrino observé dans le détecteur. Mais les neutrinos peuvent interagir avec d’autres particules sur leur trajet et changer leur énergie. Nous assumons que la plupart des neutrinos interagissent avec les neutrons libres dans le noyau atomique, mais quelques neutrinos peuvent aussi heurter une paire neutron proton, et ceci change la valeur de leur énergie. J. Conrad ajoute que nous ne comprenons pas encore complètement cet effet, donc nos analyses peuvent faire apparaître des oscillations alors qu’il n’y en a pas. Si c’était le cas, nous n’aurons pas besoin du neutrino stérile, mais tout simplement améliorer notre calcul.

Tandis que des théoriciens développent encore plus d’idées exotiques, les expérimentateurs cherchent, utilisant des détecteurs dans toutes les parties du monde, de la Russie au Royaume Unis, sous la glace de l’Antarctique, ils espèrent établir des liens plus étroits sur la disparition du neutrino muonique et le neutrino électronique, tout aussi bien la fréquence avec laquelle l’un oscille dans l’autre. Il va falloir attendre plusieurs années.

La vie secrète des muons.

Les neutrinos ont toujours été les moutons noirs de la famille des particules fondamentales. Ils apparaissent sous trois saveurs, chacune est associée à son cousin plus massif appelé électron, muon et tau. Ces particules plus massives (leptons) sont connues depuis longtemps mais il semble que le muon possède un secret très profond.

En 2001, une expérience au Brookhaven National Lab. à New York a mesuré un moment magnétique du muon excessif par rapport à la prévision théorique. Des expériences plus sensibles sont prévues l’année prochaine. De même au CERN des anomalies sont signalées dans la désintégration du méson Beau qui devrait se désintégrer également en muons et en électrons ce qui n’est pas le cas, il y a moins de désintégrations en muons. Ces deux anomalies pourraient être connectées !!!

P. S. extrait d’un cours enseigné, il y a 15 ans

Les neutrinos, curiosités de la physique depuis 1930 jusqu’à aujourd’hui.

              1920                                                1940                             1960                         1920                          1930                         1938              1956                   1964

           A. Eddington propose       Wolfang Pauli postule   Hans Bethe analyse les      F. Reines, Cl. Cowan    J. Bacall calcule  une origine thermonucléaire               l’existence d’1particule      processus nucléaires         sont les premiers à         le flux théorique pour rendre compte     nouvelle le neutrino : ν        qui prévalent dans le       détecter des ν émis par      des ν solaires. de l’énergie du soleil.                                                                        cœur du soleil.                  un réacteur nucléaire.                    

 

                                                             1980                                   2000

1967               1969                              1978 et 1985                1998                   2002              2002

R. Davis              Vl. Gribov et              ST. Mikheyev, A. Smirnov      L’expérience de     L’expérience du    L’expérience

réalise la 1er         B. Pontecorvo           indiquent que les                         Super-Kamiokande    SNO apporte la    Kamland détecte

mesure du flux    proposent le méca-     interactions des ν et de                   confirme les            preuve des       les oscillations

des ν solaires.   nisme des oscillations    la matière  intensifient            oscillations des ν     oscillations des νe      d’anti-ν produits

                             pour expliquer le                 les oscillations.                produits au sein du    émis par le soleil.   ds les réacteurs.

                             déficit des ν solaires.                                                             cosmos.

 

                         

   

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