Neutrinos, soixante-dix ans de mystères

Il y a 70 ans aujourd’hui, Clyde Cowan, Frederick Reines et leurs collègues concluaient  un quart de siècle de recherches en publiant dans la revue Science un article annonçant qu’ils avaient détecté des neutrinos émis par un réacteur nucléaire en Caroline du Sud. Cette quête avait commencé en décembre 1930, lorsque Wolfgang Pauli, dans une lettre adressée aux « Dames et messieurs radioactifs » réunis lors d’une conférence à Tübingen, proposa une solution audacieuse à un problème épineux :l’énergie qui semblait disparaître dans les désintégrations bêta. Il suggéra l’existence d’une particule légère et neutre qui emporterait l’énergie, sans être détectée. Quelques années plus tard, Enrico Fermi et Edoardo Amaldi donnèrent le nom de neutrino à cette hypothétique particule.

Cinq semaines avant la publication de l’article, Wolfgang Pauli reçut un télégramme alors qu’il participait à une réunion au CERN. « Nous sommes heureux de vous annoncer que nous avons effectivement détecté des neutrinos », lui écrivaient Reines et Cowan. La réponse de Pauli ne leur parvint jamais, Reines n’en prenant connaissance que des décennies plus tard. « Merci pour le message. Tout vient à celui qui sait attendre. »

Les neutrinos sont les particules les plus légères et les plus insaisissables de toutes les particules de matière connues. Dépourvues de charge électrique, elles interagissent si faiblement avec la matière qu’un neutrino typique pourrait traverser une année-lumière de plomb solide avant d’être arrêté. À lui seul, le Soleil en envoie 100 000 milliards à travers notre corps et à chaque seconde. Plus étonnant encore, les neutrinos existent en trois types, et un neutrino produit sous une forme peut être détecté sous une autre. La preuve décisive de ce phénomène, appelé oscillation, a été apportée en 1998 par l’expérience Super-Kamiokande au Japon. Or, ces oscillations ne sont possibles que si les neutrinos possèdent une masse, ce que le Modèle standard de la physique des particules ne prévoyait pas.

Beaucoup de questions restent en suspens au sujet des neutrinos. Quel est l’ordre des trois masses des neutrinos ? Les neutrinos et les antineutrinos oscillent-ils de manière différente ? Existe-t-il d’autres états de neutrinos encore inconnus ? Les réponses dépassent largement le cadre de la physique des particules. Par exemple, les neutrinos issus du Big Bang remplissent encore aujourd’hui le cosmos, et leurs infimes masses ont influencé la manière dont la matière s’est agglomérée pour former les galaxies.

Des expériences à travers le monde tentent de répondre à ces questions. Parmi les plus récentes, figure l’expérience JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory), située à Kaiping, en Chine, qui observe les antineutrinos issus des réacteurs nucléaires, tout comme l’avaient fait Cowan et Reines il y a 70 ans. D’autres expériences utilisent des accélérateurs de particules pour produire des faisceaux de neutrinos dirigés vers des détecteurs situés à plusieurs centaines de kilomètres, afin d’observer les neutrinos pendant qu’ils changent de saveur au cours de leur traversée de l’écorce terrestre.

La Plateforme Neutrinos du CERN contribue au développement et aux tests des détecteurs nécessaires à la prochaine génération de ces expériences dites «à longue distance». Elle participe notamment à la construction des prototypes et des cryostats destinés à l’expérience DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), qui enverra des neutrinos sur une distance de 1300 km à travers les États-Unis, ainsi que les améliorations des détecteurs de Hyper-Kamiokande, alimenté par un faisceau parcourant 295 km à travers le Japon.

Toutefois, pour tirer le meilleur parti de ces expériences, les physiciens doivent comprendre le plus précisément possible leurs faisceaux. Les faisceaux de neutrinos sont habituellement produits par des protons frappant une cible, ce qui libère une gerbe de particules instables qui se désintègrent ensuite en produisant des neutrinos. Comme les détails de ces désintégrations ne sont pas directement observés, il est difficile de déterminer précisément les caractéristiques des neutrinos produits.

Bruno Pontecorvo proposa une solution en 1979. Chaque désintégration produit un neutrino et une particule chargée, généralement un muon. En mesurant la particule mère en vol, puisle muon produit, et en s’appuyant uniquement sur les lois de conservation, les physiciens peuvent déduire l’énergie et l’impulsion du neutrino, puis associer celui-ci à une interaction observée plus loin dans le faisceau. Cette technique est connue sous le nom d’« étiquetage des neutrinos ».

En pratique, cela implique de traquer des milliards de particules chaque seconde. L’expérience NA62, construite pour étudier certaines des désintégrations les plus rares des kaons, a passé au crible les données collectées en 2022 et a réussi à associer un neutrino à sa désintégration d’origine, déterminant son énergie avec une précision record de 0,3 %. Les physiciens étudient désormais la possibilité d’utiliser des faisceaux entièrement étiquetés. Cette méthode pourrait permettre d’atteindre des niveaux de précision inédites dans les expériences longue distance.

Lisez l’article complet « Neutrinos on the clock » dans le numéro de mai/juin du CERN Courier.
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