Les oscillations quantiques des neutrinos en Une de Nature

Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo

L’expérience T2K au Japon étudie les neutrinos et antineutrinos dans l’objectif de mieux comprendre la disparition de l’antimatière dans notre Univers. En compilant des données entre 2010 et 2018, les chercheurs ont découvert ce qui apparait comme une brisure forte de la symétrie CP (Charge-Parité) dans les oscillations de neutrinos, autrement dit : les neutrinos et antineutrinos ne se comportent pas de la même manière. Cette découverte fait la Une de la prestigieuse revue scientifique Nature ce jeudi 16 avril.

Ces résultats sont le fruit d’une collaboration internationale impliquant plus de 500 chercheurs et à laquelle participe l’équipe de recherche de Michel Gonin, Directeur de recherche de classe exceptionnelle au CNRS au Laboratoire Leprince Ringuet* et Responsable national de l’expérience T2K pour l’Institut national de physique nucléaire et de physique des particules du CNRS.

L’asymétrie pour comprendre l’orgine de notre Univers

Dans notre Univers, la matière prédomine : c’est d’elle dont sont faites les nébuleuses, les étoiles, les planètes… Cependant, les scientifiques considèrent qu’aux premiers instants de notre Univers, matière et antimatière ont été créées en quantité parfaitement identiques. Si l’on s’en tient aux lois de la physique qui donnent une description symétrique des comportements de la matière et de l’antimatière dans tous les phénomènes, nous devrions retrouver aujourd’hui dans notre Univers autant de l’une que de l’autre, ou alors aucune des deux (elles s’annihilent en formant des photons).

Un moyen d’expliquer la domination de la matière sur l’antimatière est la violation de la symétrie CP qui a ce jour n’a pu être démontrée que pour les quarks, mais d’intensité largement trop faible pour expliquer la composition de notre Univers. Cette découverte réalisée aujourd’hui sur les neutrinos au sein de l’expérience T2K pourrait ainsi permettre de résoudre une énigme fondamentale : l’absence d’antimatière dans notre univers.

Une expérience monumentale

T2K qui signifie « Tokai to Kamioka » étudie les neutrinos produits grâce à un faisceau de proton généré par un accélérateur de particules basé à Tokai qui pointe sous terre vers le détecteur Super-Kamiokande à 280km de là. Les protons émis à Tokai sont dirigés vers une cible de carbone. L’impact produit des « pions » qui se désintègrent en « muons » et en neutrinos muoniques en passant à travers un tunnel d’une centaine de mètres. A partir de là, le faisceau passe à travers la terre et est ainsi nettoyé : seuls les neutrinos peuvent circuler à travers notre planète sans être absorbés. Ils sont alors détectés indirectement par une lumière qui manifeste leur passage dans le détecteur Super-Kamiokande. Ce détecteur souterrain géant se présente sous la forme d’un cylindre de 40m de diamètre et 40m de hauteur, rempli de 50 000 tonnes d'eau pure entourée d'environ 13 000 photomultiplicateurs (voir illustration).

Des résultats inédits

En agissant sur les particules grâce à des champs électromagnétiques avant leur entrée dans le tunnel à Tokai, les scientifiques sont capables de sélectionner celles qui donneront des neutrinos ou des antineutrinos. Ils peuvent alors étudier leurs oscillations, c’est-à-dire la « transformation » des neutrinos muoniques et antineutrinos muoniques en neutrinos électroniques et antineutrinos électroniques. En réalisant plus de 10^21 collisions de protons sur la cible (plus de mille milliards de milliards), les chercheurs ont ainsi pu détecter suffisamment d’évènements pour faire apparaitre la violation de symétrie.

Le paramètre ? considéré comme un angle, traduit dans la théorie le degré d’asymétrie entre matière et antimatière.  Si il vaut 0 ou 180°, il n’y a aucune asymétrie. L’asymétrie est maximale si ce paramètre vaut -90° pour les neutrinos (+90° pour les antineutrinos). Les résultats de T2K excluent pour la première fois près de la moitié des valeurs possibles à 99.7% (3?) et la valeur la plus compatible avec leurs données est très proche de 90° correspondant à une asymétrie maximale entre la matière et l’antimatière.

Ces résultats sont rendus possibles grâce à une accumulation d’un grand nombre de données, mais aussi par l’amélioration des techniques d’analyse pour réduire certains bruits de fond. Le travail de la communauté internationale qui travaille sur T2K commence à révéler une propriété fondamentale des neutrinos qui n’avait pas encore été mise en évidence jusque-là.

Le futur : l’expérience Hyper-Kamiokande au Japon

Une nouvelle génération d'expériences devrait multiplier la production de données dans les prochaines décennies. Au Japon, l’expérience Hyper-K, le successeur de Super-Kamiokande, dont la construction vient d’être actée, sera opérationnel vers les années 2027-2028. Si leurs nouvelles données confirment les résultats préliminaires de T2K, les neutrinos pourraient bien apporter avant  dix ans une réponse au problème de la disparition de l'antimatière dans notre Univers.

Une opportunité pour les élèves de l’X

Depuis de nombreuses années, des élèves de l’École polytechnique ont la possibilité de réaliser leur stage et leur doctorat dans l’équipe de Michel Gonin et ainsi participer à une expérience majeure de la physique des particules. Cette formation par la recherche leur donne une expérience internationale et leur permet de se familiariser avec des techniques d’analyse du plus haut niveau nécessaires pour comprendre les données récoltées. Actuellement, trois élèves réalisent ainsi leur stage de 3^e année en télétravail sur l’expérience T2K.

Chevalier de la Légion d’honneur et plus récemment Chevalier de l’ordre des Palmes académiques, Michel Gonin est également professeur de physique et directeur du concours d’admission à l’École polytechnique.

En savoir plus : DOI: 10.1038/s41586-020-2177-0 / Nature Vol. 580, pp. 339-344

*(LLR, une unité mixte de recherche CNRS – École polytechnique)