Un groupe international de plus de 260 scientifiques a produit à ce jour l'un des tests les plus rigoureux pour l'existence de neutrinos stériles. Les scientifiques de deux grands groupes expérimentaux internationaux, MINOS+ au Fermilab du ministère de l'Énergie et à Daya Bay en Chine, rapportent des résultats dans Lettres d'examen physique exclure les oscillations dans un neutrino stérile comme principale explication des observations inattendues des expériences récentes.

MINOS+ étudie la disparition des neutrinos muoniques produits par un accélérateur du Fermilab et se propageant vers un détecteur souterrain dans le nord du Minnesota à 735 kilomètres. Daya Bay utilise huit détecteurs de conception identique pour mesurer avec précision comment les neutrinos électroniques émis par six réacteurs nucléaires en Chine « disparaissent » lorsqu'ils se transforment en d'autres types.

Les neutrinos sont des particules élémentaires qui, comme les électrons, ne peut pas être décomposé en composants plus petits. Ils ne ressemblent à aucune autre particule connue en ce sens qu'ils sont capables de pénétrer de très grandes quantités de matière sans s'arrêter. Si un neutrino est tiré de la surface de la Terre vers son centre, il y a une très grande probabilité qu'il ressorte intact de l'autre côté.

Il existe trois types connus de neutrinos :les électrons, muon et tau. Il y a environ deux décennies, les scientifiques ont découvert qu'ils peuvent passer d'un type à un autre grâce à un phénomène appelé "oscillation de neutrino, " une découverte qui a reçu le prix Nobel de physique 2015. Par exemple, un neutrino créé comme un type d'électron voyageant dans l'espace peut plus tard être identifié comme un type muon ou un type tau.

Même si la grande majorité des données accumulées à ce jour peut s'expliquer par trois neutrinos connus, quelques expériences ont rapporté des observations anormales suggérant l'existence de types supplémentaires. Parmi celles-ci figurent l'expérience LSND au Laboratoire national de Los Alamos et l'expérience MiniBooNE au Laboratoire Fermi. Les deux ont exposé leurs détecteurs à un faisceau de neutrinos muoniques et ont signalé un excès d'événements candidats de neutrinos électroniques au-delà de ce que l'on pourrait attendre d'oscillations impliquant uniquement les trois types connus de neutrinos, mais peut-être conciliable s'il s'agissait d'un nouveau type de neutrino, un neutrino stérile. Les neutrinos stériles ne seraient pas directement détectables, mais leur oscillation avec les trois neutrinos connus fournirait une voie unique pour établir leur existence.

Cependant, les nouveaux résultats de Daya Bay et MINOS+ remettent en question cette possibilité comme explication des résultats LSND et MiniBooNE.

« Les enjeux sont de taille ; si cette interprétation alléchante des résultats anormaux était confirmée, une révolution en physique s'ensuivrait. Les neutrinos stériles deviendraient les premières particules à être trouvées en dehors du modèle standard, notre meilleure théorie actuelle des particules élémentaires et de leurs interactions. Ils pourraient également être candidats à la matière noire et pourraient avoir des conséquences importantes en cosmologie, " a déclaré Pedro Ochoa-Ricoux, scientifique de Daya Bay, professeur agrégé de physique et d'astronomie à l'UC Irvine.

"Cette étroite collaboration des scientifiques de MINOS+ et de Daya Bay a permis de combiner deux contraintes complémentaires de classe mondiale sur les neutrinos muoniques et les antineutrinos électroniques disparaissant en neutrinos stériles, " a déclaré Alexandre Sousa, professeur agrégé de physique à l'Université de Cincinnati et l'un des scientifiques de MINOS+ qui ont travaillé sur l'analyse. La disparition des deux particules doit se produire si des (anti)neutrinos électroniques doivent apparaître dans une source de muons (anti)neutrinos via des oscillations stériles avec un seul neutrino stérile. "Le résultat combiné est donc une sonde très puissante des indices de neutrinos stériles dont nous disposons à ce jour."

Les mesures de disparition des neutrinos par MINOS+ et Daya Bay sont maintenant si précises qu'elles excluent essentiellement d'expliquer les observations anormales combinées du LSND, MiniBooNE et d'autres expériences uniquement par des oscillations de neutrinos stériles, selon Ochoa-Ricoux.

"Nous aurions tous été absolument ravis de trouver des preuves de neutrinos stériles, mais les données que nous avons recueillies jusqu'à présent ne supportent aucune sorte d'oscillation avec ces particules exotiques, " il a dit.

L'analyse combinée rapportée par Daya Bay et MINOS+ a non seulement exclu le type spécifique d'oscillation de neutrinos stériles qui expliquerait les résultats anormaux, mais a également recherché d'autres signatures de neutrinos stériles avec une sensibilité jamais atteinte auparavant, donnant certaines des limites les plus strictes à l'existence de ces particules insaisissables à ce jour.

"Les deux expériences utilisent plusieurs détecteurs avec des incertitudes bien comprises et ont collecté un nombre sans précédent d'événements. Exiger la cohérence entre les ensembles de données des deux expériences fournit un test très rigoureux de l'existence des neutrinos stériles, " ont déclaré les porte-parole de MINOS+, Jenny Thomas, professeur à l'University College de Londres, et Karol Lang professeur à l'Université du Texas à Austin.

"Cet effort commun s'attaque très efficacement à un problème fondamental de physique, ", ont déclaré les porte-parole de Daya Bay, Kam-Biu Luk du Lawrence Berkeley National Laboratory et UC Berkeley et Jun Cao de l'Institut de physique des hautes énergies de Pékin. "Bien qu'il y ait encore de la place pour qu'un neutrino stérile se cache dans l'ombre, nous avons considérablement réduit l'espace disponible pour se cacher."