Dans les expériences NOvA (NuMI Off-axis νe Appearance) et T2K, les neutrinos sont tirés à partir d’accélérateurs de particules et détectés après avoir parcouru de longues distances sous terre. Le défi est immense : sur des milliards et des milliards de particules, seule une poignée laisse des traces détectables. Des détecteurs et des logiciels sophistiqués reconstruisent ensuite ces événements rares, fournissant des indices sur la façon dont les neutrinos changent de « saveur » au cours de leur déplacement.
Les neutrinos font partie des particules les plus abondantes dans l’Univers.
Ils n’ont aucune charge électrique et presque aucune masse, ce qui les rend extrêmement difficiles à détecter. Mais ce même caractère insaisissable les rend scientifiquement inestimables.
Comprendre les neutrinos pourrait aider à expliquer l’une des plus grandes énigmes de la cosmologie : pourquoi l’Univers est constitué de matière.
Théoriquement, le Big Bang aurait dû produire à parts égales de matière et d’antimatière, qui se seraient complètement annihilées ; lorsqu’une particule rencontre son miroir opposé, les deux disparaissent dans un éclat d’énergie.
Mais lorsque le Big Bang s’est produit, quelque chose a fait pencher la balance, créant une plus grande abondance de matière, ce qui a conduit à la formation des étoiles, des galaxies et de la vie aujourd’hui.
Les physiciens soupçonnent que les neutrinos pourraient détenir la réponse.
Les neutrinos se déclinent en trois types, ou « saveurs », électron, muon et tau, essentiellement trois versions de la même petite particule.
Ils possèdent la capacité inhabituelle d’osciller et de se transformer d’une saveur à une autre lors de leur voyage dans l’espace, et la manière dont ces oscillations se produisent, et si elles diffèrent entre les neutrinos et leurs homologues de l’antimatière, pourrait révéler pourquoi la matière l’a emporté sur l’antimatière dans l’Univers primitif.
« Comprendre ces différentes identités peut aider les scientifiques à en apprendre davantage sur les masses des neutrinos et à répondre à des questions clés sur l’évolution de l’Univers, notamment pourquoi la matière en est venue à dominer l’antimatière au début de l’Univers », a déclaré le Dr Zoya Vallari, physicienne à l’Ohio State University.
« La raison pour laquelle les neutrinos sont vraiment très amusants est qu’ils changent de saveur. »
« Imaginez que vous mangez une glace au chocolat, que vous marchez dans la rue et que tout d’un coup, elle se transforme en menthe, et chaque fois qu’elle bouge, elle change à nouveau. »
Dans le but de mieux comprendre ce comportement de changement de forme, les expériences NOvA et T2K ont combiné leurs forces pour projeter des faisceaux de particules de neutrinos sur des centaines de kilomètres.
NOvA envoie un faisceau de neutrinos à travers la Terre à 810 km de sa source au Fermi National Accelerator Laboratory, près de Chicago, jusqu’à un détecteur de 14 000 tonnes à Ash River, Minnesota.
Le T2K japonais envoie un faisceau de neutrinos à 295 km de l’accélérateur J-PARC de Tokai jusqu’au détecteur géant Super-Kamiokande situé sous le mont Ikenoyama.
« Bien que nos objectifs soient les mêmes, les différences dans la conception de nos expériences ajoutent plus d’informations lorsque nous regroupons nos données, dans la mesure où la somme est supérieure à ses parties », a déclaré le Dr Vallari.
Bien que cette étude s’appuie sur des travaux antérieurs qui ont révélé des différences minimes, mais toujours très importantes, dans la masse des neutrinos pour chaque type, les chercheurs ont recherché des indices plus profonds selon lesquels les neutrinos opèrent en dehors des lois standard de la physique.
L’une de ces questions est de savoir si les neutrinos et leurs homologues de l’antimatière se comportent différemment, un phénomène appelé violation de la parité de charge.
« Nos résultats montrent que nous avons besoin de plus de données pour pouvoir répondre de manière significative à ces questions fondamentales », a déclaré le Dr Vallari.
« C’est pourquoi il est important de construire la prochaine génération d’expériences. »
Selon l’étude, la combinaison des résultats des deux expériences a permis aux scientifiques d’appréhender ces questions pressantes de physique sous différents angles, car deux expériences avec des lignes de base et des énergies différentes ont de meilleures chances d’y répondre qu’une seule expérience.
« Ce travail est extraordinairement complexe et chaque collaboration implique des centaines de personnes », a déclaré le professeur John Beacom de l’Ohio State University.
« Des collaborations comme celles-ci sont généralement en concurrence, donc le fait qu’elles coopèrent ici montre à quel point les enjeux sont importants. »
Les nouvelles découvertes ont été publiées dans la revue Nature.
