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La particule qui était sa propre antiparticule

La collaboration ATLAS présente ses dernières recherches sur les neutrinos de Majorana lourds.

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L'expérience ATLAS au CERN. (Image : Maximilien Brice/CERN)

L'expérience ATLAS au CERN. (Image : Maximilien Brice/CERN)

Les neutrinos ont une masse très légère : il en faudrait au moins 250 000 pour atteindre la masse d'un seul électron. Et si leur légèreté pouvait être expliquée par une théorie voulant que les neutrinos soient leurs propres antiparticules ? C'est l'hypothèse que la collaboration ATLAS est en train d'étudier en utilisant les données des collisions de protons à haute énergie, recueillies auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHC).

L'extrême légèreté des neutrinos peut s'expliquer par le « mécanisme de la bascule », théorie en vogue allant au-delà du Modèle standard de la physique des particules. Ce mécanisme consiste à apparier des neutrinos légers, que nous connaissons, à des neutrinos lourds hypothétiques. Comme sur une balançoire à bascule, le neutrino le plus lourd soulève le plus léger et lui donne ainsi un peu de masse. Mais pour que ce mécanisme puisse fonctionner, les deux neutrinos doivent être des particules dites « de Majorana » : des particules identiques à leur antiparticule.

Une antiparticule a la même masse que la particule qui lui correspond, mais sa charge électrique est opposée. Ainsi, un électron a une charge électrique négative et son antiparticule, le positon, une charge positive. Or les neutrinos ne sont pas chargés, ce qui pourrait laisser penser qu'ils sont leurs propres antiparticules. La découverte de neutrinos de Majorana lourds permettrait non seulement d'expliquer la masse des neutrinos, mais pourrait également nous aider à comprendre pourquoi, dans l'Univers, la matière est beaucoup plus abondante que l'antimatière.

Dans une version étendue du modèle de la bascule, ces neutrinos de Majorana lourds pourraient être suffisamment légers pour être détectés dans les données du LHC. Dans un nouvel article, la collaboration ATLAS décrit les résultats de ses dernières recherches sur les traces de ces particules.

Les scientifiques d'ATLAS ont recherché des événements au cours desquels un neutrino de Majorana lourd apparaîtrait en même temps qu'un boson W « droitier », autre particule hypothétique. Ils ont utilisé des données du LHC issues de collisions produisant deux « jets » de particules en plus d'une paire d'électrons énergétiques, ou d'une paire de leurs cousins plus massifs, les muons.

Ils ont ensuite comparé le nombre d'événements semblables observés avec celui prédit par le Modèle standard, et ont constaté que ce nombre n'excédait pas de façon significative le nombre prédit par le Modèle standard, ce qui indique que les bosons W droitiers et les neutrinos de Majorana lourds n'étaient pas présents dans ces collisions.

Toutefois, les scientifiques ont pu se servir de leurs observations pour exclure certaines masses qui pouvaient être attribuées à ces deux particules. Ils ont ainsi écarté la possibilité qu'un neutrino de Majorana lourd puisse avoir une masse inférieure à environ 3 TeV lorsqu'il est associé à un boson W droitier d'une masse de 4,3 TeV. Ils étudient également pour la première fois l'hypothèse que le neutrino de Majorana pourrait être plus lourd que le boson W droitier, estimant sa masse minimale à 1,5 TeV. Des recherches plus poussées pourraient permettre d'évaluer plus précisément la masse des neutrinos de Majorana lourds dans l'espoir de les découvrir – si tant est qu'ils existent.