Le «Vrai» Neutrino A Été Caché Par Les Physiciens Pendant Des Décennies. Pourraient-Ils Le Trouver En Antarctique?

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Les neutrinos sont les changeurs du monde subatomique, mais les physiciens s'approchent de plus en plus pour identifier les véritables identités des particules.

illustration neutrino

Les masses de "vrais neutrinos" ont longtemps échappé aux physiciens, mais l'observatoire IceCube Neutrino en Antarctique pourrait aider les physiciens à les trouver. Dans cette illustration, un neutrino interagit avec la glace antarctique et libère un muon. Lorsque ce muon se déplace à une vitesse ultra-rapide, il laisse une traînée révélatrice de lumière bleue, connue sous le nom de rayonnement Cherenkov.

Les neutrinos sont peut-être la plus déroutante des particules connues. Ils bafouent simplement toutes les règles connues sur la manière dont les particules doivent se comporter. Ils se moquent de nos détecteurs de fantaisie. Comme les chats cosmiques, ils parcourent l'univers sans souci ni inquiétude, interagissant occasionnellement avec le reste de nous, mais vraiment seulement quand ils en ont envie, ce qui, honnêtement, n'est pas si fréquent.

Le plus frustrant de tous, ils portent des masques et ne se ressemblent jamais deux fois.

Mais une nouvelle expérience nous a peut-être rapprochés de l’architecture de ces masques. Révéler la véritable identité des neutrinos pourrait aider à répondre à des questions de longue date, telles que savoir si les neutrinos sont leurs propres partenaires avec l'antimatière, et pourrait même aider à unifier les forces de la nature en une théorie cohérente. [Les 18 plus grands mystères non résolus de la physique]

Un problème massif

Les neutrinos sont bizarres. Il en existe trois sortes: le neutrino électronique, le neutrino muonique et le neutrino tau. (Il y a aussi les versions antiparticules de ces trois, mais ce n'est pas une grande partie de cette histoire.) Elles sont nommées ainsi parce que ces trois types font la fête avec trois types différents de particules. Les neutrinos électroniques se joignent aux interactions impliquant des électrons. Les neutrinos muons s'associent aux muons. Aucun point ne sera attribué pour avoir deviné avec quoi le neutrino tau interagit.

Jusqu'ici, ce n'est pas bizarre du tout. Voici la partie étrange.

Pour les particules qui sont ne pas les neutrinos - comme les électrons, les muons et les particules de tau - ce que vous voyez est ce que vous obtenez. Ces particules sont toutes exactement les mêmes à l'exception de leurs masses. Si vous repérez une particule ayant la masse d'un électron, elle se comportera exactement comme un électron, et il en va de même pour le muon et le tau. De plus, une fois que vous avez repéré un électron, ce sera toujours un électron. Ni plus ni moins. Même chose pour le muon et le tau.

Mais il n'en va pas de même pour leurs cousins, les neutrinos électroniques, muons et tau.

Ce que nous appelons, par exemple, le "neutrino tau" n'est pas toujours le neutrino tau. Cela peut changer d'identité. Il peut devenir, à mi-vol, un neutrino à électrons ou à muons.

Ce phénomène étrange auquel personne ne s'attendait est appelé oscillation de neutrinos. Cela signifie, entre autres choses, que vous pouvez créer un neutrino électronique et l'envoyer à votre meilleur ami en cadeau. Mais au moment où ils l'obtiendront, ils pourraient être déçus de trouver un neutrino tau à la place.

Bascule

Pour des raisons techniques, l'oscillation des neutrinos ne fonctionne que s'il y a trois neutrinos de trois masses différentes. Mais les neutrinos qui oscillent ne sont pas les neutrinos à saveur d’électron, de muon ou de tau.

Au lieu de cela, il y a trois "vrais" neutrinos, chacun avec des masses différentes, mais inconnues. Un mélange distinct de ces vrais neutrinos fondamentaux crée chacun des arômes de neutrinos que nous détectons dans nos laboratoires (électron, muon, tau). La masse mesurée en laboratoire est donc un mélange de ces vraies masses de neutrinos. Pendant ce temps, la masse de chaque véritable neutrino dans le mélange détermine la fréquence à laquelle il se transforme en chacune des différentes saveurs. [Images: À l'intérieur des meilleurs laboratoires de physique du monde]

Le travail des physiciens consiste maintenant à démêler toutes les relations: quelles sont les masses de ces vrais neutrinos et comment se mélangent-ils pour créer les trois saveurs?

Les physiciens sont donc en chasse pour découvrir la masse des "vrais" neutrinos en regardant quand et à quelle fréquence ils changent de saveur. Encore une fois, le jargon physique est très inutile pour expliquer cela, car les noms de ces trois neutrinos sont simplement m1, m2 et m3.

Une variété d'expériences laborieuses ont enseigné aux scientifiques certaines choses sur la masse des vrais neutrinos, au moins indirectement. Par exemple, nous connaissons certaines des relations entre le carré des masses. Mais nous ne savons pas exactement combien pèsent les vrais neutrinos et nous ne savons pas lesquels sont plus lourds.

Il se pourrait que le m3 soit le plus lourd, dépassant de loin m2 et m1. C'est ce qu'on appelle "l'ordre normal" car cela semble assez normal - et c'est ce que les physiciens du contrôle ont essentiellement deviné il y a plusieurs décennies. Mais, d’après nos connaissances actuelles, il se pourrait également que m2 soit le neutrino le plus lourd, avec m1 pas loin derrière et m 3 faible en comparaison. Ce scénario est appelé "ordre inversé", car cela signifie que nous avons initialement deviné le mauvais ordre.

Bien entendu, il existe des camps de théoriciens qui aspirent à ce que chacun de ces scénarios soit vrai. Les théories qui tentent d'unifier l'ensemble (ou du moins la plupart) des forces de la nature sous un même toit appellent généralement un ordre normal de la masse des neutrinos. Par contre, un ordre de masse inversée est nécessaire pour que le neutrino soit son propre jumeau antiparticule. Et si cela était vrai, cela pourrait aider à expliquer pourquoi il y a plus de matière que d'antimatière dans l'univers.

Entraînement DeepCore

Lequel est-il: normal ou inversé? C’est l’une des questions les plus importantes soulevées au cours des deux dernières décennies de recherche sur les neutrinos. C’est exactement le genre de question à laquelle l’énorme Observatoire IceCube Neutrino a été conçu. Situé au pôle Sud, l'observatoire est constitué de dizaines de chaînes de détecteurs enfoncés dans la calotte glaciaire antarctique, avec un "DeepCore" central de huit chaînes de détecteurs plus efficaces capables de détecter des interactions à plus basse énergie.

Les neutrinos parlent à peine de la matière normale, ils sont donc parfaitement capables de traverser directement le corps de la Terre. Et comme ils le font, ils se transforment en différentes saveurs. De temps en temps, ils rencontrent une molécule dans la calotte glaciaire antarctique près du détecteur IceCube, ce qui déclenche une cascade de particules émettant une lumière étonnamment bleue appelée rayonnement Chérenkov. C'est cette lumière que les cordes IceCube détectent.

Illustration d'un neutrino faisant un zoom sur la glace antarctique transparente. De temps en temps, un neutrino peut interagir avec la glace et déclencher une pluie en cascade de particules laissant des traînées de lumière bleue dans le détecteur.

Illustration d'un neutrino faisant un zoom sur la glace antarctique transparente. De temps en temps, un neutrino peut interagir avec la glace et déclencher une pluie en cascade de particules laissant des traînées de lumière bleue dans le détecteur.

Dans un article publié récemment dans la revue pré-imprimée arXiv, les scientifiques de IceCube ont utilisé trois années de données DeepCore pour mesurer le nombre de neutrinos de chaque type de neutrinos transmis par la Terre. Les progrès sont lents, bien sûr, car les neutrinos sont si difficiles à attraper. Mais dans ce travail. les scientifiques signalent une légère préférence dans les données pour l'ordre normal (ce qui voudrait dire que nous avions bien deviné il y a plusieurs décennies). Cependant, ils n'ont encore rien trouvé de concluant.

Est-ce tout ce que nous aurons? Certainement pas. IceCube se prépare bientôt pour une mise à niveau majeure et de nouvelles expériences telles que le Precision IceCube Next Generation Upgrade (PINGU) et le Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) se préparent également pour répondre à cette question centrale. Qui savait qu'une question aussi simple sur l'ordre des masses de neutrinos révélerait une partie du fonctionnement de l'univers? Dommage que ce ne soit pas non plus une question facile.

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Paul M. Sutter est astrophysicien à Université d'État de l'Ohio, hôte de "Demandez à un astronaute" et "Radio spatiale, "et auteur de"Votre place dans l'univers."

Publié à l'origine sur Science en direct.

Le «Vrai» Neutrino A Été Caché Par Les Physiciens Pendant Des Décennies. Pourraient-Ils Le Trouver En Antarctique?

FAQ - 💬

❓ Où se trouvent les neutrinos ?

👉 Les neutrinos sont des particules élémentaires qui trouvent leur place à côté des électrons, protons et neutrons formant la matière ordinaire.

❓ Qui a détecté le neutrino pour la première fois ?

👉 Naissance des neutrinosPour la résoudre, Wolfgang Pauli propose en 1930 l'existence d'une nouvelle particule neutre et légère.

❓ Qui a proposé l'existence du neutrino et pourquoi son existence A-t-elle été proposée en premier lieu ?

👉 Le physicien Wolfgang Pauli a été le premier à suggérer en 1930 l'existence des neutrinos. Il cherchait une façon d'expliquer pourquoi certains types d'interaction entre particules produisaient moins d'énergie qu'elles ne le devraient.

❓ Comment détecter les neutrinos ?

👉 Lorsque des neutrinos arrivent dans le détecteur Super-Kamiokande, ils interagissent avec l'eau du réservoir en produisant une lumière bleutée enregistrée par 11 200 photomultiplicateurs. Ici, chaque point coloré correspond à une détection, les premiers neutrinos à être détectés étant les points les plus rouges.

❓ Comment se forme un neutrino ?

👉 La majeure partie de l'énergie dégagée lors de l'effondrement d'une supernova est rayonnée au loin sous la forme de neutrinos produits quand les protons et les électrons se combinent dans le noyau pour former des neutrons. Ces effondrements de supernova produisent d'immenses quantités de neutrinos.

❓ Quel est le symbole du neutrino ?

👉 (Physique) En physique des particules, particule élémentaire, un type de neutrino, de charge électrique nulle et de masse presque nulle. Le symbole : ν e.


Supplément Vidéo: КЛИМАТ. БУДУЩЕЕ СЕЙЧАС.




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