Alysia Marino et Eric Zimmerman, physiciens à CU Boulder, sont à la recherche de neutrinos depuis deux décennies.

Ce n'est pas une mince affaire :les neutrinos sont parmi les particules subatomiques les plus insaisissables connues de la science. Ils n'ont pas de charge et sont si légers - chacun a une masse plusieurs fois inférieure à celle de l'électron - qu'ils n'interagissent qu'en de rares occasions avec le monde qui les entoure.

Ils peuvent également détenir la clé de certains des mystères les plus profonds de la physique.

Dans une étude publiée aujourd'hui dans la revue La nature , Marin, Zimmerman et plus de 400 autres chercheurs sur une expérience appelée T2K se rapprochent de la réponse à l'une des plus importantes :pourquoi l'univers ne s'est-il pas annihilé dans une énorme explosion d'énergie peu de temps après le Big Bang ?

La nouvelle recherche suggère que la réponse se résume à une subtile divergence dans la façon dont les neutrinos et leurs jumeaux maléfiques, les antineutrinos, se comportent - l'une des premières indications que les phénomènes appelés matière et antimatière ne sont peut-être pas les images miroir exactes que de nombreux scientifiques croyaient.

Les découvertes du groupe montrent ce que les scientifiques peuvent apprendre en étudiant ces particules sans prétention, dit Zimmerman, professeur au Département de physique.

« Il y a encore 20 ans, le domaine de la physique des neutrinos était beaucoup plus petit qu'il ne l'est aujourd'hui, " il a dit.

Marin, professeur agrégé de physique, D'accord. "Il y a encore beaucoup de choses que nous essayons de comprendre sur la façon dont les neutrinos interagissent, " elle a dit.

Big Bang

Neutrinos, qui n'ont été détectés directement que dans les années 1950, sont souvent produites au plus profond des étoiles et font partie des particules les plus courantes de l'univers. Toujours la seconde, des milliards d'entre eux traversent ton corps, bien que peu ou pas du tout réagissent avec un seul de vos atomes.

Pour comprendre pourquoi ce duvet de pissenlit cosmique est important, cela aide à revenir au début, au tout début.

Sur la base de leurs calculs, les physiciens pensent que le Big Bang a dû créer une énorme quantité de matière avec une quantité égale d'antimatière. Ces particules se comportent exactement comme, mais ont des charges opposées de, les protons, les électrons et toutes les autres matières qui composent tout ce que vous pouvez voir autour de vous.

Il n'y a qu'un problème avec cette théorie :la matière et l'antimatière s'effacent au contact.

"Notre univers aujourd'hui est dominé par la matière et non par l'antimatière, " a déclaré Marino. " Il devait donc y avoir un processus en physique qui distingue la matière de l'antimatière et aurait pu donner lieu à un petit excès de protons ou d'électrons par rapport à leurs antiparticules. "

Heures supplémentaires, ce petit excès est devenu un grand excès jusqu'à ce qu'il n'y ait pratiquement plus d'antimatière dans le cosmos. Selon une théorie populaire, les neutrinos sous-tendent cet écart.

Zimmerman a expliqué que ces particules subatomiques sont de trois types différents, que les scientifiques appellent « saveurs, " avec des interactions uniques. Ce sont les neutrinos muoniques, neutrino électronique et neutrino tau. Vous pouvez les considérer comme la crème glacée napolitaine du physicien.

Ces saveurs, cependant, ne reste pas sur place. Ils oscillent. Si vous leur donnez suffisamment de temps, par exemple, les chances qu'un neutrino muonique reste un neutrino muonique peuvent changer. Imaginez ouvrir votre congélateur et ne pas savoir si la glace à la vanille que vous avez laissée sera désormais au chocolat ou à la fraise, au lieu.

Mais en est-il de même pour les antineutrinos ? Les partisans de la théorie de la « leptogenèse » soutiennent que s'il y avait ne serait-ce qu'une petite différence dans la façon dont ces images miroir se comportent, cela pourrait contribuer grandement à expliquer le déséquilibre dans l'univers.

"La prochaine grande étape de la physique des neutrinos est de comprendre si les oscillations des neutrinos se produisent au même rythme que les oscillations des antineutrinos, " a déclaré Zimmerman.

Voyager au Japon

Cette, cependant, signifie observer les neutrinos de près.

Le T2K, ou Tokai à Kamioka, L'expérience va à l'extrême pour faire exactement cela. Dans cet effort, les scientifiques utilisent un accélérateur de particules pour tirer des faisceaux composés de neutrinos d'un site de recherche à Tokai, Japon, aux détecteurs de Kamioka - une distance de plus de 180 miles ou toute la largeur de la plus grande île du Japon, Honshu.

Zimmerman et Marino ont tous deux participé à la collaboration depuis les années 2000. Depuis neuf ans, le duo et leurs collègues du monde entier ont fait un compromis entre l'étude de faisceaux de neutrinos et d'antineutrinos de muons.

Dans leur étude la plus récente, les chercheurs frappent la saleté :ces morceaux de matière et d'antimatière semblent se comporter différemment. neutrinos muoniques, Zimmerman a dit, sont plus enclins à osciller en neutrinos électroniques que leurs homologues antineutrinos.

Les résultats sont accompagnés de mises en garde majeures. Les découvertes de l'équipe sont encore un peu en deçà de l'étalon-or de la communauté des physiciens pour une découverte, une mesure de signification statistique appelée « cinq-sigma ». La collaboration T2K améliore déjà l'expérience afin qu'elle puisse collecter plus de données et plus rapidement pour atteindre cette marque.

Mais, Marino a dit, les résultats fournissent l'un des indices les plus alléchants à ce jour que certains types de matière et d'antimatière peuvent agir différemment, et pas de manière insignifiante.

"Pour expliquer les résultats de T2K, la différence doit être presque la plus grande quantité que vous pourriez éventuellement obtenir" sur la base de la théorie, elle a dit.

Marino considère l'étude comme une fenêtre sur le monde fascinant des neutrinos. Il y a beaucoup plus de questions urgentes autour de ces particules, aussi :combien, par exemple, chaque saveur de neutrino pèse-t-elle ? Sont des neutrinos, dans une tournure vraiment étrange, réellement leurs propres antiparticules ? Elle et Zimmerman participent à une deuxième collaboration, un effort à venir appelé Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), cela aidera le T2K mis à niveau à trouver ces réponses.

"Il y a encore des choses que nous cherchons à comprendre parce que les neutrinos sont si difficiles à produire dans un laboratoire et nécessitent des détecteurs si compliqués, " dit Marino. " Il y a encore de la place pour d'autres surprises. "