Les neutrinos à T2K, une clé de l'énigme de l'antimatière manquante ?

Après les derniers résultats des analyses des données de PlanckPlanck concernant le rayonnement fossile, la théorie du Big Bang est devenue plus solide que jamais. Mais cela ne veut nullement dire que le modèle standard en cosmologie, dont le prix Nobel de physique James Peebles a été un des pionniers, ne pose pas de problème. On ignore toujours la nature des particules de matière noirematière noire dont il suppose l'existence et on ne connaît pas non plus la cause de l'accélération de son expansion qui ne nécessite d'ailleurs pas forcément d’énergie noire.

Parmi les énigmes de la cosmologie il y a celle qu'il est convenu d'appeler l'énigme de l'antimatière manquante. En effet, le modèle standard de la physiquephysique des particules, qui repose sur la théorie quantique des champs relativistes, prédit qu'au moment du Big BangBig Bang il a dû se créer autant de particules que d'antiparticulesantiparticules, notamment en ce qui concerne la matière, autant de quarksquarks que d'antiquarks et autant de neutrinosneutrinos que d'antineutrinos.

Mais quand l'UniversUnivers observable s'est suffisamment refroidi, ces particules auraient dû s'annihiler ne laissant plus qu'un bain de photonsphotons. Notre existence prouve le contraire, donc il devait y avoir au moins un excès de quarks et d'antiquarks. Il devait même exister un fond de neutrinos fossiles mais comme ils sont de basses énergiesénergies, ces neutrinos interagissent très faiblement avec la matière et ils sont donc difficiles à détecter. On pense pouvoir le faire bientôt avec l'expérience Ptolemy.

Une asymétrie matière-antimatière via la leptogénèse

Toutefois, comme l'expliquait en détail Futura dans le précédent article ci-dessous, il est possible de rendre compte de la production d'un excès de particules de matière sur les particules d'antimatière dans le cadre d'un scénario établi, il y a presque 50 ans, par le grand physicienphysicien russe Sakharov et en utilisant de la nouvelle physique au-delà du modèle standard. Il y a en particulier un scénario dit de leptogénèse qui produit cet excès via la physique des neutrinos. On peut tester, en théorie du moins, une formulation de ce scénario en étudiant la physique des oscillations de neutrinos. C'est précisément ce qu'annonce avoir fait une équipe internationale de physiciens dans le cadre de la collaboration T2K, dont Futura avait déjà parlé, toujours dans l'article ci-dessous. Les chercheurs exposent leurs nouveaux résultats dans un article de Nature, que l'on peut consulter en accès libre sur arXiv.

Il existe effectivement des indices prometteurs d'une différence entre le comportement des neutrinos et des antineutrinos, même si l'on ne peut encore parler de découverte puisque cette différence n'est établie qu'au niveau de 3 sigmas, comme le disent les physiciens dans leur jargon. Pour mémoire, il a fallu atteindre les 5 sigmas pour annoncer la découverte du bosonboson de Brout-Englert-Higgs.

Trois laboratoires français, le Laboratoire Leprince-Ringuet (CNRS/École polytechnique - Institut polytechnique de Paris), le Laboratoire de physique nucléaire et des hautes énergies (CNRS/Sorbonne Université) et l'Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers du CEA sont parties prenantes de cette aventure où des faisceaux de neutrinos et d'antineutrinos ont été produits à partir des faisceaux de protonsprotons accélérés par le synchrotron J-Parc, situé à Tokai au Japon. Ces faisceaux de neutrinos ont ensuite voyagé à travers la Terre en direction du détecteur Super-KamiokandeSuper-Kamiokande, à une distance de 295 kilomètres, d'où la dénomination Tokai to Kamioka, donc T2K, donnée à l'expérience menée par les physiciens.

L'expérience T2K au Japon mesure l'apparition de neutrinos électroniques ν_e dans un faisceau de neutrinos muoniques ν_μ en raison des oscillations des neutrinos. Un faisceau pur de ces neutrinos part d'une source à Tokai en direction d'un détecteur situé à Kamioka et distant de 295 kilomètres. © APS, Alan Stonebrake

Des antineutrinos qui n'oscillent pas comme les neutrinos

Le principe de l'expérience T2K repose sur l'existence de l'oscillation des neutrinos. Voyons maintenant de quoi il s'agit. Il se trouve qu'il existe trois types de neutrinos dans la nature, les neutrinos dits électronique, muonique et tauonique. Ils se transforment périodiquement les uns dans les autres d'où le terme d'oscillation utilisé pour décrire ce phénomène. Au bout d'un certain temps, défini par une loi de probabilité, un neutrino électroniqueneutrino électronique en vol va se transformer en un neutrino muoniqueneutrino muonique, lequel va se transformer à son tour en un autre neutrino. Ainsi, un faisceau de neutrinos muoniques qui serait étudié à diverses distances de sa source montrera que sa composition varie avec, par exemple, une augmentation de la quantité de neutrinos électroniques dans le faisceau selon que celui-ci aura voyagé longtemps. En fonction des théories concernant ces oscillations, les physiciens à Super-Kamiokande vont donc mesurer une composition différente en neutrinos pour le faisceau de neutrinos muoniques produit à Tokai, sur la côte ouest du Japon.

On peut faire la même expérience avec des faisceaux d'antineutrinos et vérifier s'il y a une différence ou non avec les neutrinos. Comme l'explique l'article de Nature, il semble que ce soit bien le cas et on le voit en mesurant ce que l'on appelle une violation de la symétrie CP. Malheureusement, au bout de dix ans de données accumulées dans Super-Kamiokande, seuls 90 neutrinos et 15 antineutrinos électroniques ont été détectés, ce qui est un échantillonnageéchantillonnage insuffisant pour établir une vraie découverte comme on l'a expliqué.

Pour aller plus loin, une version améliorée du détecteur Super-Kamiokande, qui contient déjà 50.000 tonnes d'eau et est implanté à 1.000 mètres de profondeur dans une ancienne mine, est prévue dans les années à venir : Hyper-K. Avec une autre expérience similaire, Dune, en cours de constructionconstruction aux États-Unis, ces instruments devraient être opérationnels vers 2027-2028. Avec un peu de chance nous pourrions confirmer les résultats préliminaires de T2K et faire d'une pierre deux coups, ouvrir une fenêtrefenêtre sur une nouvelle physique au-delà du modèle standard et résoudre l'énigme de l'antimatière manquante en cosmologie.

T2K sur la piste de l'antimatière manquante avec les neutrinos

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 17/02/2014

On place beaucoup d'espoir dans l'étude fine des propriétés des neutrinos, en particulier de leurs oscillations, pour tenter de découvrir des signes d'une nouvelle physique. Contrairement à la violation CP découverte avec les quarks, celle que l'on cherche à mesurer avec les neutrinos pourrait permettre de comprendre pourquoi l'univers est très majoritairement constitué de matière, une vieille énigme de la cosmologie.

Le modèle standard décrivant comment les quarks et les leptonsleptons interagissent au moyen des forces nucléaire forte et électrofaible contient plusieurs paramètres libres. Il y a par exemple les massesmasses des quarks et celles des neutrinos. On a des raisons de penser que le champ de Brout-Englert-Higgs, via des couplages de Yukawa, explique en partie l'existence de ces masses. Pour le moment, on se contente d'essayer de les mesurer aussi précisément que possible, car il n'est pas encore à la portée de l'humanité d'en dériver les valeurs au moyen d'une théorie englobant le modèle standard et la théorie de la relativité généralerelativité générale sous une forme unifiée.

Le modèle électrofaible contient aussi depuis les années 1970 une description de phénomènes de conversion de certains quarks en dquarks en d'autres quarks. Il s'agit de la fameuse matrice de Cabibbo–Kobayashi–Maskawa (CKM). On y trouve là aussi des paramètres libres, notamment ceux fixant certaines réactions violant la fameuse symétrie CP. Cette violation est un des ingrédients essentiels postulés par le physicien Andrei Sakharov pour rendre compte du mystère de l'antimatière manquante en cosmologie. Dans le cas de la matrice CKM, l'ampleur de la violation CP mesurée est cependant insuffisante pour permettre de comprendre pourquoi et comment l'univers observable ne contient pas l'antimatière qu'il aurait dû produire en même quantité que la matière au moment du Big Bang.

De la désintégration des quarks aux oscillations des neutrinos

Il existe cependant une autre matrice ressemblant à CKM, mais qui au lieu de décrire des conversions entre quarks, décrit des conversions entre les neutrinos : la matrice de Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS). C'est elle qui gouverne les processus d'oscillation des neutrinos, dont on a fait la découverte en cherchant à résoudre l'énigme du déficit des neutrinos solaires. Ces oscillations sont possibles si l'on suppose que les neutrinos possèdent des masses. De nouveau, comme pour la matrice CKM, la matrice PMNS contient des paramètres autorisant une violation de la symétrie CPviolation de la symétrie CP dans certaines réactions avec des neutrinos.

Shoichi Sakata (1911-1970) était un physicien des particules élémentaires japonais qui a eu pour élèves les futurs prix Nobel de physique Makoto Kobayashi et Toshihide Maskawa. Il a anticipé plusieurs aspects du modèle des quarks dans les années 1950, et il a été un des codécouvreurs du mécanisme d'oscillation des neutrinos. © Center for Theoretical Studies, Kobayashi-Maskawa Institute for the Origin of Particles and the Universe, Nagoya University

On a des raisons de penser que l'origine des masses des neutrinos ainsi que d'une éventuelle violation CP observée avec eux constitue une fenêtre fort intéressante, car à basse énergie, sur des théories de grande unificationthéories de grande unification. Les célèbres Gut, rassemblant les forces électrofaible et nucléaire forte au sein d'une théorie unifiée avec un seul groupe de symétrie, font malheureusement des prédictions qui sont généralement hors de portée des accélérateurs sur Terre.

De la leptogénèse à la baryogénèse avec des neutrinos

Depuis un certain temps, on cherche donc à mesurer précisément les masses des neutrinos et la manière dont ils oscillent. On a réussi à poser, par exemple, des contraintes sur des combinaisons des carrés de ces masses, mais des mesures directes et individuelles restent problématiques. On aimerait bien également poser des contraintes sur des processus de violation CP. Il existe en effet un mécanisme capable de résoudre l'énigme de l'antimatière cosmologique en utilisant cette violation avec des neutrinos. En gros, il autoriserait l'apparition d'un excès de leptons, en l'occurrence de neutrinos sur des antineutrinos. Cette leptogénèse, comme on l'appelle, se serait produite à haute température dans l'univers primordial. On peut alors montrer qu'il existe un mécanisme contenu dans le modèle électrofaible qui conduit dans ces mêmes conditions à la conversion de cet excès de neutrinos en un excès de quarks. Ces quarks sont destinés à former plus tard les baryonsbaryons de l'univers observable, à savoir les protons et les neutronsneutrons. La leptogénèse a donc conduit à une baryogénèse.

Remarquablement, les données expérimentales dont on dispose déjà nous indiquent que s'il n'est pas possible de résoudre l'énigme de l'antimatière dans le cadre du modèle standard avec la matrice CKM, il est possible de le faire avec une matrice PMNS adéquate et un minimum d'hypothèses faisant intervenir de la physique au-delà du modèle standard. Des variantes de ce scénario ont été découvertes, par exemple en utilisant de la supersymétriesupersymétrie, mais il n'en reste pas moins que ce scénario de leptogénèse et de baryogénèse minimales est séduisant, à l'heure où aucun signe de la supersymétrie ou d'une Gut ne s'est encore montré au LHCLHC.

L’existence d’au moins deux neutrinos avait été proposée avant la découverte des autres neutrinos par le physicien d’origine italienne Bruno Pontecorvo (1913-1993). Celui-ci était même allé beaucoup plus loin, puisqu’il avait émis l’hypothèse que si les neutrinos possédaient une faible masse, ils pouvaient osciller en se transformant les uns dans les autres au cours du temps. Cette hypothèse d’oscillation des neutrinos tomba à point pour expliquer le déficit des neutrinos solaires découvert par Ray Davies. © Yuri Tumanov, JINR

T2K et la violation CP

Les membres de la collaboration T2K (Tokai to Kamioka) viennent justement de publier un article sur arxiv faisant état de leur dernière mesure d'un des paramètres de la matrice PMNS qui peut être utilisé pour estimer la violation CP avec les neutrinos. Il s'agit d'un des trois angles dits de mélange, en l'occurrence θ₁₃. Comme on l'expliquait en détail dans un précédent article, l'expérience T2K consiste à produire un faisceau de neutrinos muoniques à Tokai puis à le faire voyager suffisamment loin, dans le cas présent jusqu'au détecteur Super-Kamiokande, 295 km plus loin, pour que le mécanisme d'oscillation des neutrinos ait conduit à une transformation significative de ces neutrinos muoniques en neutrinos électroniques. Comme on utilise en réalité des impulsions périodiques dans le faisceau, on peut faire la différence entre les neutrinos provenant aléatoirement des rayons cosmiquesrayons cosmiques et ceux produits à Tokai. Cette conversion entre deux types de neutrinos est désormais encore mieux établie, puisque les physiciens confirment leurs résultats précédents.

Les contraintes les plus fortes sur la violation CP devraient venir dans un avenir proche de l'utilisation de faisceaux d'antineutrinos. T2K devrait y contribuer en collaboration avec l'expérience Nova du Fermilab, spécialement dédiée à cette question.