Une équipe internationale de suivi des neutrinos de la « nouvelle physique » a vérifié les données de toutes les expériences pertinentes associées aux détections de neutrinos par rapport aux extensions du modèle standard proposées par les théoriciens. La dernière analyse, le premier avec une couverture aussi complète, montre l'ampleur des défis auxquels sont confrontés les chercheurs de neutrinos droitiers, mais apporte aussi une étincelle d'espoir.

Dans tous les processus impliquant des neutrinos qui ont été observés, ces particules présentent une caractéristique désignée par les physiciens sous le nom de gaucher. Les neutrinos droitiers, qui sont l'extension la plus naturelle du Modèle Standard, sont introuvables. Pourquoi? Le dernier, analyse extrêmement complète réalisée par un groupe international de physiciens, notamment l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie permet de répondre à cette question. Pour la première fois, les données de toutes les expériences pertinentes, directement et indirectement dédiés aux détections de neutrinos, ont été inclus et vérifiés par rapport aux plages de paramètres imposées par diverses extensions théoriques du modèle standard.

La première particule subatomique, l'électron, a été observé il y a plus de 120 ans. Depuis, les physiciens en ont découvert une pléthore. La richesse des briques de construction de la nature s'explique par l'hypothèse que le monde est constitué de quarks massifs, se produisant en six saveurs, et beaucoup moins de leptons massifs, également en six saveurs. Les leptons comprennent l'électron, le muon (pesant 207 fois la masse de l'électron), le tau (3477 fois la masse d'un électron) et les trois types de neutrinos correspondants.

Les neutrinos interagissent extrêmement mal avec le reste de la matière. Ils montrent également d'autres caractéristiques d'une importance particulière pour la forme de la physique moderne. On a récemment découvert que ces particules oscillent, c'est-à-dire qu'ils se transforment constamment d'un type à un autre. Ce phénomène signifie que les neutrinos observés doivent avoir une certaine (bien que très faible) masse. Pendant ce temps, le modèle standard, un outil théorique moderne décrivant les particules subatomiques avec une grande précision, ne laisse pas d'alternative :dans son cadre les neutrinos ne peuvent avoir aucune masse ! Cette contradiction entre théorie et expérience est l'une des indications les plus fortes en faveur de l'existence de particules subatomiques inconnues. La masse de neutrinos, cependant, n'est pas leur seule propriété déroutante.

"Nous apprenons la présence de neutrinos en observant les produits de désintégration de diverses particules et en comparant ce que nous avons enregistré avec ce que la théorie prédit. Il s'avère que dans tous les cas indiquant la présence de neutrinos, ces particules ont toujours la même hélicité :1/2, c'est-à-dire qu'ils étaient gauchers. C'est intéressant car d'autres particules de matière peuvent avoir un spin à la fois positif et négatif. Mais il n'y a pas de neutrinos droitiers visibles ! S'ils n'existent pas, alors pourquoi pas ? Et s'ils le font, où se cachent-ils ? », demande le Dr Marcin Chrzaszcz (IFJ PAN).

Un article vient de paraître dans le Revue Physique Européenne C par une équipe internationale de physiciens nous rapproche de la réponse aux questions ci-dessus. Des scientifiques de la FIJ PAN, l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire—CERN, Université catholique de Louvain (Louvain-la-Neuve, La Belgique), Université Monash (Melbourne, Australie), Technische Universität München (Allemagne) et Université d'Amsterdam (Pays-Bas) ) ont effectué l'analyse la plus précise à ce jour des données recueillies dans plus d'une douzaine des expériences les plus sophistiquées de physique subatomique, aussi bien ceux à caractère général que ceux directement dédiés à l'observation des neutrinos (dont PIENU, PS-191, CHARME, E949, NuTeV, DELPHES, ATLAS, CMS).

Les chercheurs ne se sont pas limités à augmenter simplement le nombre d'expériences et la quantité de données traitées. Dans leur analyse, ils ont envisagé la possibilité de processus hypothétiques proposés par les théoriciens qui nécessitent la présence de neutrinos droitiers. L'un d'eux était le mécanisme à bascule associé aux neutrinos de Majorana.

En 1937, Ettore Majorana a postulé l'existence d'une particule de matière qui est sa propre antiparticule. Une telle particule ne pourrait pas avoir de charge électrique. Puisque toutes les particules de matière portent une charge électrique, à l'exception des neutrinos, la nouvelle particule peut être un neutrino.

"La théorie suggère que si les neutrinos de Majorana existent, il peut aussi y avoir un mécanisme à bascule. Cela signifierait que lorsque les neutrinos à un état d'hélicité ne sont pas très massifs, alors les neutrinos d'hélicité opposée doivent avoir des masses très importantes. Donc, si nos neutrinos qui sont gauchers ont des masses très faibles, s'il s'agissait de neutrinos de Majorana, dans la version pour droitier, ils devraient être massifs. Cela expliquerait pourquoi nous ne les avons pas encore vus, " dit le Dr Chrzaszcz, et ajoute que les neutrinos droitiers massifs sont l'un des candidats à la matière noire.

La dernière analyse, réalisé à l'aide du package open source spécialisé GAMBIT, a pris en compte toutes les données expérimentales actuellement disponibles et les plages de paramètres fournies par divers mécanismes théoriques. Numériquement, c'était extrêmement onéreux. Le mécanisme de bascule lui-même signifiait que les calculs devaient utiliser des nombres à virgule flottante non doubles, mais d'une quadruple précision. Finalement, le volume de données a atteint 60 To. L'analyse a dû être effectuée dans le cluster de calcul polonais le plus rapide, Prometheus, géré par le Centre informatique universitaire Cyfronet de l'Université des sciences et technologies AGH.

Les résultats de l'analyse, financé du côté polonais par des subventions de la Fondation pour la science polonaise et de l'Agence nationale pour les échanges universitaires, n'inspire pas l'optimisme. Il s'est avéré que malgré de nombreuses expériences et une énorme quantité de données collectées, l'espace des paramètres possibles n'a été pénétré que dans une faible mesure.

"Nous pouvons trouver des neutrinos droitiers dans des expériences qui sont sur le point de commencer. Cependant, si nous sommes malchanceux et que les neutrinos droitiers se cachent dans les recoins les plus reculés de l'espace des paramètres, nous devrons peut-être attendre jusqu'à cent ans pour leur découverte, " dit le Dr Chrzaszcz.

Heureusement, il y a aussi une ombre d'espoir. Une trace d'un signal potentiel a été capturée dans les données qui pourraient être associées à des neutrinos droitiers. À ce stade, il est très faible et, en fin de compte, il peut s'agir d'une simple fluctuation statistique. Mais que se passerait-il si ce n'était pas le cas ?

"Dans ce cas, tout indique qu'il serait déjà possible d'observer des neutrinos droits dans le successeur du LHC, le futur collisionneur circulaire. Cependant, le FCC a un certain inconvénient :il commencerait à fonctionner environ 20 ans après son agrément, qui, dans le meilleur des cas, pourrait n'avoir lieu que l'année prochaine. Si ce n'est pas le cas, il faudra s'armer d'une grande patience avant de voir des neutrinos droitiers, " conclut le Dr Chrzaszcz.