Les Neutrinos Qui Se Conduisent Mal Pourraient-Ils Expliquer Pourquoi L'Univers Existe?

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De nouvelles découvertes pourraient-elles expliquer pourquoi l'univers est fait de matière?

Les scientifiques se passionnent pour explorer les mystères, et plus grand est le mystère, plus grand est l’enthousiasme. Il y a beaucoup de questions scientifiques sans réponse, mais quand on est gros, il est difficile de battre "Pourquoi y a-t-il quelque chose, au lieu de rien?"

Cela peut sembler une question philosophique, mais c’est une question qui se prête très bien à une enquête scientifique. Plus concrètement, "Pourquoi l'univers est-il composé des types de matières qui rendent la vie humaine possible, de sorte que nous puissions même poser cette question?" Les scientifiques menant des recherches au Japon ont annoncé le mois dernier une mesure qui répond directement à la plus fascinante des enquêtes. Il semble que leur mesure soit en désaccord avec les attentes les plus simples de la théorie actuelle et pourrait bien indiquer une réponse à cette question intemporelle.

Leur mesure semble indiquer que pour un ensemble particulier de particules subatomiques, la matière et l’antimatière agissent différemment.

Matière contre Antimatière

En utilisant l'accélérateur J-PARC, situé à Tokai, au Japon, les scientifiques ont projeté un faisceau de particules subatomiques fantomatiques appelées neutrinos et leurs homologues antimatières (antineutrinos) à travers la Terre jusqu'à l'expérience Super Kamiokande, située à Kamioka, également au Japon. Cette expérience, appelée T2K (Tokai to Kamiokande), a pour but de déterminer pourquoi notre univers est fait de matière. Un comportement particulier des neutrinos, appelé oscillation de neutrinos, pourrait éclairer un peu ce problème très épineux. [Les 18 plus grands mystères non résolus de la physique]

Demander pourquoi l’univers est fait de matière peut sembler une question étrange, mais il ya une très bonne raison pour que les scientifiques s’étonnent de cela. C'est parce que, en plus de connaître l'existence de la matière, les scientifiques connaissent également l'antimatière.

En 1928, le physicien britannique Paul Dirac proposa l’existence de l’antimatière - un frère antagoniste de la matière. Combinez des quantités égales de matière et d'antimatière et les deux s'anéantissent, ce qui libère une énorme quantité d'énergie. Et, comme les principes de la physique fonctionnent généralement aussi bien en sens inverse, si vous avez une quantité d'énergie prodigieuse, elle peut être convertie en quantités exactement égales de matière et d'antimatière. L’Antimatière a été découverte en 1932 par l’Américain Carl Anderson et les chercheurs ont eu près d’un siècle pour étudier ses propriétés.

Cependant, cette phrase "en quantités exactement égales" est le noeud de l'énigme. Dans les brefs instants qui ont immédiatement suivi le Big Bang, l'univers était plein d'énergie. En se développant et en se refroidissant, cette énergie aurait dû être convertie en parties égales de matière et de particules subatomiques antimatière, ce qui devrait être observable aujourd'hui. Et pourtant, notre univers est essentiellement constitué entièrement de matière. Comment cela peut-il être?

En comptant le nombre d'atomes dans l'univers et en le comparant à la quantité d'énergie que nous voyons, les scientifiques ont déterminé qu'exactement "égale" n'est pas tout à fait juste. D'une manière ou d'une autre, alors que l'univers avait environ un milliardième de milliardième de seconde, les lois de la nature étaient légèrement faussées dans le sens de la matière. Pour 3 000 000 000 de particules d'antimatière, il y avait 3 000 000 000 de particules de matière. Les 3 milliards de particules de matière et les 3 milliards de particules d’antimatière se sont combinés - et ont été annihilés en énergie, laissant le léger excès de matière à l’univers que nous voyons aujourd’hui.

Depuis que ce casse-tête était compris il y a près d'un siècle, les chercheurs étudiaient la matière et l'antimatière pour voir s'ils pouvaient trouver un comportement dans les particules subatomiques qui expliquerait l'excès de matière. Ils sont convaincus que la matière et l'antimatière sont fabriquées en quantités égales, mais ils ont également observé qu'une classe de particules subatomiques, les quarks, présente des comportements qui favorisent légèrement la matière par rapport à l'antimatière. Cette mesure particulière était subtile, impliquant une classe de particules appelées mésons K qui peuvent convertir de la matière en antimatière et inversement. Mais il y a une légère différence entre la matière convertie en antimatière et l'inverse. Ce phénomène était inattendu et sa découverte a conduit au prix Nobel de 1980, mais l'ampleur de l'effet n'était pas suffisante pour expliquer pourquoi la matière dominait dans notre univers.

Faisceaux fantomatiques

Les scientifiques se sont donc tournés vers les neutrinos pour voir si leur comportement pouvait expliquer l'excès de matière. Les neutrinos sont les fantômes du monde subatomique. Interagissant uniquement par la force nucléaire faible, ils peuvent traverser la matière sans presque aucune interaction. Pour donner une idée de l’échelle, les neutrinos sont le plus souvent créés lors de réactions nucléaires et le plus grand réacteur nucléaire du monde est le Soleil. Se protéger de la moitié des neutrinos solaires prendrait une masse de plomb solide à environ 5 années-lumière de profondeur. Les neutrinos n'interagissent vraiment pas beaucoup.

Entre 1998 et 2001, une série d’expériences - une utilisant le détecteur Super Kamiokande et une autre utilisant le détecteur SNO à Sudbury, en Ontario - ont définitivement prouvé que les neutrinos manifestaient également un autre comportement surprenant. Ils changent d'identité.

Les physiciens connaissent trois types distincts de neutrinos, chacun associé à un frère subatomique unique, appelé électrons, muons et taus. Les électrons sont la cause de l'électricité et les particules de muon et de tau ressemblent beaucoup aux électrons, mais sont plus lourdes et instables.

Les trois types de neutrinos, appelés neutrino électronique, neutrino muonique et neutrino tau, peuvent se "transformer" en d'autres types de neutrinos et inversement. Ce comportement s'appelle oscillation neutrino. [Wacky Physics: Les petites particules les plus cool de la nature]

L’oscillation des neutrinos est un phénomène particulièrement quantique, mais elle est à peu près analogue à celle d’un bol de glace à la vanille et, une fois que vous avez trouvé une cuillère, vous constaterez que le bol est à moitié vanille et à moitié chocolat. Les neutrinos changent d’identité, passant d’un type à un autre, en un mélange de types, en un type totalement différent, puis en revenant au type original.

Oscillations antineutrino

Les neutrinos sont des particules de matière, mais il existe également des neutrinos de l'antimatière, appelés antineutrinos. Et cela soulève une question très importante. Les neutrinos oscillent, mais les antineutrinos oscillent-ils aussi et exactement de la même manière que les neutrinos? La réponse à la première question est oui, alors que la réponse à la seconde n'est pas connue.

Examinons cela un peu plus en profondeur, mais de manière simplifiée: supposons qu’il n’existe que deux types de neutrinos: le muon et l’électron. Supposons en outre que vous disposiez d'un faisceau de neutrinos purement de type muon. Les neutrinos oscillent à une vitesse spécifique et, puisqu'ils se rapprochent de la vitesse de la lumière, ils oscillent en fonction de la distance à laquelle ils ont été créés. Ainsi, un faisceau de neutrinos de muons purs ressemblera à un mélange de types de muons et d'électrons à une certaine distance, puis de types purement d'électrons à une autre distance et reviendra ensuite au muon seul. Les neutrinos d'antimatière font la même chose.

Cependant, si les neutrinos de la matière et de l'antimatière oscillent à des vitesses légèrement différentes, vous vous attendriez à ce que, si vous vous trouviez à une distance fixe du point de création d'un faisceau de neutrinos à muons purs ou d'antineutrinos à muons, vous verriez un mélange de neutrinos de muons et d'électrons, mais dans le cas des neutrinos d'antimatière, vous verriez un mélange différent de neutrinos de muons et d'électrons antimatière. La situation réelle est compliquée par le fait qu'il existe trois types de neutrinos et que l'oscillation dépend de l'énergie du faisceau, mais ce sont les grandes idées.

L'observation de différentes fréquences d'oscillation par les neutrinos et les antineutrinos constituerait une étape importante dans la compréhension du fait que l'univers est fait de matière. Ce n'est pas toute l'histoire, car de nouveaux phénomènes supplémentaires doivent également être présents, mais la différence entre neutrinos matière et antimatière est nécessaire pour expliquer pourquoi il y a plus de matière dans l'univers. [5 particules mystérieuses pouvant se cacher sous la surface de la Terre]

Dans la théorie actuelle décrivant les interactions neutrino, il existe une variable sensible à la possibilité que les neutrinos et les antineutrinos oscillent différemment. Si cette variable est égale à zéro, les deux types de particules oscillent à des taux identiques; si cette variable diffère de zéro, les deux types de particules oscillent différemment.

Lorsque T2K a mesuré cette variable, ils ont constaté qu’elle était incompatible avec l’hypothèse voulant que les neutrinos et les antineutrinos oscillent de manière identique. Un peu plus techniquement, ils ont déterminé une plage de valeurs possibles pour cette variable. Il y a 95% de chances que la valeur vraie de cette variable se situe dans cette plage et seulement 5% que la vraie variable se situe en dehors de cette plage. L'hypothèse "aucune différence" est en dehors de la plage de 95%.

En termes plus simples, les mesures actuelles suggèrent que les neutrinos et les neutrinos antimatière oscillent différemment, bien que la certitude n’atteigne pas le niveau requis pour faire une déclaration définitive. En fait, les critiques soulignent que les mesures avec ce niveau de signification statistique doivent être considérées avec beaucoup de scepticisme. Mais il s'agit certainement d'un résultat initial extrêmement provocateur, et la communauté scientifique mondiale est extrêmement intéressée par des études améliorées et plus précises.

L’expérience T2K continuera d’enregistrer des données supplémentaires dans l’espoir de prendre une mesure définitive, mais ce n’est pas le seul jeu en ville. Au Laboratoire Fermi, situé à l’extérieur de Chicago, une expérience similaire baptisée NOVA vise à neutraliser des neutrinos et des neutrinos antimatière dans le nord du Minnesota, dans l’espoir de battre T2K. Et, plus tourné vers l'avenir, Fermilab travaille activement sur ce qui sera son expérience phare, baptisée DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), qui disposera de capacités bien supérieures pour étudier cet important phénomène.

Bien que le résultat de T2K ne soit pas définitif et qu'il faille faire preuve de prudence, il est certainement tentant. Compte tenu de l'énormité de la question de savoir pourquoi notre univers ne semble pas avoir d'antimatière appréciable, la communauté scientifique mondiale attendra avec impatience de nouvelles mises à jour.

Publié à l'origine sur WordsSideKick.com.

Don Lincoln est chercheur en physique à Fermilab. Il est l'auteur de "Le grand collisionneur de hadrons: L'histoire extraordinaire du boson de Higgs et d'autres éléments qui feront exploser votre esprit" (Presse universitaire de Johns Hopkins, 2014), et produit une série de vidéos sur l'éducation scientifique. Suivez le sur Facebook. Les opinions exprimées dans ce commentaire sont les siennes.

Don Lincoln a contribué cet article à Expert Voices: Op-Ed & Insights de WordsSideKick.com.


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