La recherche du neutrino stérile fait chou blanc

Un observatoire enterré profondément dans la glace de l’Arctique n’a rapporté aucun résultat dans la recherche d’une particule hypothétique appelée neutrino stérile.


Un observatoire enterré profondément dans la glace de l'Arctique n'a rapporté aucun résultat dans la recherche d'une particule hypothétique appelée neutrino stérile.
Un capteur optique qui s'enfonce à 2500 mètres de profondeur pour détecter le neutrino stérile - Crédit : Jim Haugen, IceCube/NSF

Le résultat nul, publié dans Physical Review Letters, ne met pas un point d’arrêt sur la recherche de cette particule depuis une décennie. Mais il prouve que ce stérile n’existe pas dans la masse prédite par les physiciens selon des anomalies qui ont été observées dans d’autres expériences.

Les neutrinos sont partout. Chaque seconde, des trillions de neutrinos traversent votre corps. Mais ils interagissent rarement avec la matière et leur détection nécessite de grandes expériences souterraines. Ces expériences ont détecté 3 types de neutrino, le neutrino électron, le neutrino muon et le neutrino tau et chacun peut changer de type lorsqu’il voyage.

Au milieu des années 1990, un détecteur au Los Alamos National Laboratory au Nouveau-Mexique a observé une anomalie qui pointait vers un 4e type de neutrino qui possède une interaction encore plus rare avec la matière par rapport aux neutrinos ordinaires. On l’a surnommé comme le et l’expérience de Los Alamos a suggéré qu’il pesait environ un milliardième de la masse d’un atome d’hydrogène (environ 1 électronvolt). D’autres expériences ont trouvé des anomalies similaires. Des études plus récentes qui comptent les neutrinos, qui fuitent des réacteurs nucléaires incluant le Daya Bay en Chine en février 2016, ont vu d’étranges caractéristiques dans leurs données qui pouvaient pointer vers le neutrino stérile.

Les réponses dans la glace

On ne peut pas détecter directement le neutrino stérile. La seule manière de le voir est qu’il perturbe l’observation des 3 autres types de neutrino selon Francis Halzen, un physicien de l’université de Wisconsin-Madison et le principal analyste d’IceCube, un ensemble de 5 000 capteurs de la taille d’un ballon de basket qui sont enterrés dans la glace à une profondeur de 2 kilomètres. Le télescope chasse les neutrinos en détectant un faible flash de lumière lorsque ces particules frappent un noyau atomique dans la glace.

Pour chercher des neutrinos stériles, l’équipe de Halzen a cherché l’arrivée des neutrinos muon qui a commencé de l’autre coté de la Terre. À la base, ils sont produits par la collision des rayons cosmiques avec les molécules d’air dans l’atmosphère et ils ont traversé la planète pour arriver au détecteur. L’équipe d’ espérait trouver des neutrinos muons à des énergies particulières. Cela aurait suggéré que certains neutrinos muons avaient muté temporairement en neutrinos stériles pendant leur voyage.

Mais après avoir analysé des données sur 12 mois, les chercheurs n’ont trouvé aucune preuve qui suggère l’existence d’un neutrino stérile d’une masse de 1 eV. Cela correspond avec les résultats du télescope spatial Planck qui a conclu qu’il n’y a que 3 types de neutrinos en se basant sur les preuves cosmologiques dans cette fourchette de masse.

Olga Mena Requejo, une théoricienne des particules à l’université de Valence estime que les conclusions infirment l’explication du neutrino stérile dans l’expérience de Los Alamos si on regarde les modèles théoriques les plus simples. Mais d’autres modèles pourraient toujours proposer l’existence de cette particule.

En particulier, l’expérience de Daya Bay a compté les neutrinos électron et non les neutrinos muons. Les neutrinos stériles possèdent une probabilité plus rare de muter en un neutrino muon par rapport aux autres types selon Jiajie Ling, un physicien de l’université de Sun Yat-Sen à Guangzhou qui a coordonné l’analyse du neutrino stérile de Daya Bay.

La recherche continue

Sur un autre aspect, les astronomes en rayon X observent une lueur inexpliquée dans certaines galaxies qui, selon une hypothèse, pourrait être expliquée s’il y avait un neutrino stérile plus lourd avec une masse d’environ 7 000 eV. Au début d’année, l’observatoire spatial Hitomi n’a détecté aucun neutrino stérile d’une masse de 7 KeV pendant sa vie très éphémère, mais ce n’est pas suffisant pour écarter cette particule selon Kevork Abazajian, un astrophysicien théoricien de l’université de Californie. Et donc, la recherche d’une particule plus massive continue.

3 détecteurs en construction sous le Fermilab pourraient infirmer définitivement le neutrino stérile ou trouver une autre explication dans l’anomalie de l’expérience de Los Alamos. La chasse des neutrinos stériles revient à toucher une chauve-souris dans une chambre noire selon Kam-Biu Luk, l’un des principaux analystes de l’expérience Daya Bay. On n’a aucune idée où ils se cachent.

 

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Jacqueline Charpentier

Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d'emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l'actualité scientifique et celle de la santé.

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