Une nouvelle étude donne de l’espoir à un problème scientifique de longue date

L’une des particules élémentaires les moins bien comprises, les neutrinos interagissent rarement avec la matière normale et la traversent de manière invisible presque à la vitesse de la lumière. Ces particules fantomatiques sont plus nombreuses que tous les atomes de l’univers et traversent toujours notre corps sans danger, mais en raison de leur faible masse et de l’absence de charge électrique, elles peuvent être incroyablement difficiles à trouver et à étudier.

Mais dans une étude publiée aujourd’hui dans la revue Lettres d’examen physiquedes chercheurs de l’Ohio State University ont établi un nouveau cadre détaillant comment les supernovae – des explosions massives qui annoncent la mort d’étoiles qui s’effondrent – pourraient être utilisées comme de puissants outils pour étudier comment les auto-interactions des neutrinos peuvent provoquer de vastes changements cosmologiques dans l’univers.

“Les neutrinos n’ont que de très faibles taux d’interaction avec la matière typique, il est donc difficile de les détecter et de tester l’une de leurs propriétés”, a déclaré Po-Wen Chang, auteur principal de l’étude et étudiant diplômé en physique à l’Ohio State. “C’est pourquoi nous devons utiliser l’astrophysique et la cosmologie pour découvrir des phénomènes intéressants à leur sujet.”

Considérés comme importants pour la formation de l’univers primitif, les neutrinos intriguent encore les scientifiques, bien qu’ils aient appris qu’ils proviennent de plusieurs sources, comme les réacteurs nucléaires ou l’intérieur des étoiles mourantes. Mais en calculant comment les auto-interactions affecteraient le signal des neutrinos de la supernova 1987A, la supernova la plus proche observée à l’époque moderne, les chercheurs ont découvert que lorsque les neutrinos interagissent entre eux, ils forment un fluide étroitement couplé qui se dilate sous l’hydrodynamique relativiste – une branche de physique qui traite de l’impact des flux sur les objets solides de l’une des deux manières différentes.

Dans le cas de ce qu’on appelle un “burst outflow “, l’équipe théorise que tout comme faire éclater un ballon hautement pressurisé dans le vide de l’espace pousserait l’énergie vers l’extérieur, une rafale produit un fluide neutrino qui se déplace dans toutes les directions. Le deuxième cas, décrit comme un “vent sortant”, imagine un ballon hautement pressurisé avec de nombreuses buses, dans lequel les neutrinos s’échappent à un débit plus constant, semblable à un jet de vent constant.

Alors que la théorie de l’écoulement du vent est plus susceptible de se produire dans la nature, a déclaré Chang, si le cas d’éclatement se concrétise, les scientifiques pourraient voir de nouvelles signatures observables de neutrinos émises par les supernovae, permettant une sensibilité sans précédent aux auto-interactions des neutrinos.

L’une des raisons pour lesquelles il est si vital de comprendre ces mécanismes est que si les neutrinos agissent comme un fluide, cela signifie qu’ils agissent ensemble, en tant que collectif. Et si les propriétés des neutrinos sont différentes en tant que collectif qu’individuellement, alors la physique des supernovae pourrait également subir des changements. Mais il reste à voir si ces changements sont dus uniquement au cas d’éclatement ou au cas de sortie.

“La dynamique des supernovae est compliquée, mais ce résultat est prometteur car avec l’hydrodynamique relativiste, nous savons qu’il y a un embranchement sur la route pour comprendre comment elles fonctionnent maintenant”, a déclaré Chang.

Pourtant, des recherches supplémentaires doivent être effectuées avant que les scientifiques puissent éliminer la possibilité que le cas d’éclatement se produise également à l’intérieur des supernovae.

Malgré ces incertitudes, l’étude est une étape importante dans la réponse au problème astrophysique vieux de plusieurs décennies sur la façon dont les neutrinos se dispersent lorsqu’ils sont éjectés des supernovae, a déclaré John Beacom, co-auteur de l’étude et professeur de physique et d’astronomie à Ohio State. Cette étude a révélé que dans le cas de l’éclatement, une sensibilité sans précédent aux auto-interactions des neutrinos est possible même avec des données rares sur les neutrinos de SN 1987A et des hypothèses d’analyse conservatrices.

“Ce problème est resté pratiquement intact pendant 35 ans”, a déclaré Beacom. “Ainsi, même si nous n’avons pas été en mesure de résoudre complètement la manière dont les neutrinos affectent les supernovae, ce qui nous réjouit, c’est que nous avons pu faire un pas en avant substantiel.”

À l’avenir, l’équipe espère que ses travaux serviront de tremplin pour étudier plus avant les auto-interactions des neutrinos. Pourtant, comme seulement deux ou trois supernovae se produisent par siècle dans la Voie lactée, il est probable que les chercheurs devront attendre des décennies de plus pour collecter suffisamment de nouvelles données sur les neutrinos pour prouver leurs idées.

“Nous prions toujours pour qu’une autre supernova galactique se produise quelque part et bientôt, mais le mieux que nous puissions faire est d’essayer de nous appuyer le plus possible sur ce que nous savons avant qu’elle ne se produise”, a déclaré Chang.

Les autres co-auteurs étaient Ivan Esteban, Todd Thompson et Christopher M. Hirata, tous de l’État de l’Ohio. Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation, la NASA et la David & Lucile Packard Foundation.