Neutrinos : révélant les secrets de l'antituerie

2021/12/01 Esteban Muñoz, Ivan - Fisikako ikertzailea Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Fisika

Quand et comment notre univers surgit ? Pourquoi est-il plein de matière? Ce sont des questions que l'humanité a toujours réfléchies. Et, même si cela semble surprenant, nous vivons au moment où la science a commencé à répondre à ces questions.

Pour cela, au cours du siècle dernier ont été nécessaires idées théoriques courageuses, expériences gigantesques et chance. Ces dernières années, les scientifiques étudient une particule fugace, la neutrine, pour trouver une réponse à ces questions.

Nous sommes la poussière d'une Grande Explosion

Selon les données que nous avons, notre univers a commencé dans une grande explosion, appelée Big Bang, avec une énergie incroyable: un trillion d'énergie par centimètre cube de plus d'une bombe atomique. Toute cette énergie a généré la matière actuelle, comme l'explique la célèbre formule d'Einstein: E = mc2. La formule permet de transformer l'énergie en masse. Ou vice versa, avec une énorme quantité d'énergie, créer de la masse.

Cependant, cette théorie a un gros problème. XX. Au début du XXe siècle, les scientifiques découvrirent des particules curieuses qui ressemblaient à de la matière commune, mais qui, rencontrant la matière commune, produisaient une luminosité de lumière qui se détruisait. Ce fait a été appelé antituerie et comme il a été découvert que toutes les particules avaient une antiparticule. De plus, dans toutes les expériences, matières et antitueries semblaient inséparables : si toutes les particules d'un système étaient échangées avec leurs antiparticules, le comportement du système ne variait pas du tout.

Sources de neutrinos et quantité de neutrinos par centimètre carré et seconde. Dans l'univers, dans le Big Bang, dans les supernovae ou dans le soleil, il y a beaucoup de neutrinos. Quand un rayon cosmique frappe l'atmosphère, des neutrinos sont également produits. Les neutrinos sont également produits par des éléments radioactifs sur terre, centrales nucléaires ou dans le corps humain. Enfin, dans les accélérateurs de particules, nous pouvons former des rayons neutres.

Par conséquent, si les particules et les antiparticules sont inséparables, le Big Bang produirait le même nombre de particules et d'antiparticules. Tout de suite ils seraient détruits, puis ils ont quitté l'univers plein de lumière. Et il ne resterait aucune matière pour former des galaxies, des étoiles, des planètes et nous-mêmes.

Recherchant des différences entre matière et antituerie

Pour ce paradoxe, XX. À partir de la seconde moitié du XXe siècle, la plupart des scientifiques considéraient que la matière et l'antituerie ne sont pas exactement les mêmes. La moindre différence produirait aussi plus de particules qu'antiparticule dans Big Bang, toutes les antiparticules seraient détruites avec des particules et les particules qui resteraient formeraient l'univers actuel. Mais seules les expériences enracinent la science. Heureusement, en 1964, un groupe de recherche américain a découvert que certaines particules produites dans les réactions nucléaires et leurs antiparts se désintègrent différemment. Cependant, au fur et à mesure que l'on étudiait davantage, toutes les expériences avaient la même conclusion : la différence trouvée était trop faible pour expliquer le grand nombre de particules dans notre univers.

C'est pourquoi, dans la tentative de comprendre notre univers, la science s'est concentrée sur d'autres particules : les neutrines. Les neutrinos sont les particules les plus légères et fugaces trouvées par la science. Malgré leur abondance dans les réactions nucléaires, ils ont passé 25 ans de leur proposition théorique à leur découverte expérimentale à cause de la faiblesse de leurs interactions. Et c'est que, bien que cent billions neutres provenant du Soleil chaque seconde traversent notre corps, dans notre vie seulement l'un d'entre eux se heurtera à nous en moyenne. De grands détecteurs sont donc nécessaires pour enquêter sur les neutrinos : plus il y a de matière dans le détecteur, plus il est probable d'interagir avec la matière. Les détecteurs actuels sont plus grands que les avions intercontinentaux ! Bien que fugaces, les neutrinos sont faciles à créer. Regardez le soleil et vous recevrez des milliards neutres. Approchez-vous d'une centrale nucléaire et obtenez un million de fois plus neutre à votre détecteur. Un rayon de protons se heurte à un matériau dense créant un rayon de neutrino.

Comme toutes les particules, les neutrinos ont une antiparticule : l'antineutrine. Et ces dernières années, les différences entre neutrinos et antineutrinos sont apparues dans les expériences.

Big Bang et origine de la matière. Des particules et des antiparts ont été formés dans le Big Bang [gauche]. Une petite différence entre elles produirait plus de particules que d'antiparticules. Avec le temps [droit], les antiparts seraient détruits avec des particules, laissant les particules qui forment notre univers.

Neutrinos: l'histoire des trois saveurs

Pour comprendre ces différences, il faut comprendre une propriété importante des neutrinos : le goût. Selon les théories et les expériences de particules, il existe trois types ou saveurs de neutrino. Chaque goût est formé dans une réaction différente, avec différentes interactions. De plus, théoriquement, un neutrino ne modifie jamais sa saveur.

Ou cela croyaient les scientifiques. XX. À la fin du XXe siècle, plusieurs expériences gigantesques ont été menées pour détecter les neutrinos provenant du soleil et des rayons cosmiques. Le goût de ces neutrinos est très bien compris théoriquement, mais certains neutrinos sont arrivés avec un autre goût. De plus, plus les distances parcouraient de plus en plus de neutrinos changeaient leur goût. Ce fait a surpris les scientifiques et forcé à changer les modèles théoriques.

Pour expliquer les résultats de ces expériences, il a été proposé que les neutrinos avaient une petite masse. C'était l'explication la plus simple et une masse minuscule (environ 10-37 kg. : un million de fois moins qu'un électron) était suffisant pour comprendre les changements de goût des neutrinos. Au début de la recherche sur cette proposition, les scientifiques ont réalisé une conclusion surprenante: si la masse de neutrinos provoquait des changements de goût, il serait possible que les neutrinos et les antineutrinos changent de goût différemment. Autrement dit, les neutrinos offraient une nouvelle occasion d'enquêter sur les différences entre la matière et l'antituerie.

Comprendre l'antituer avec des expériences neutres

Comme on en savait plus sur les changements de goût des neutrinos, il était de plus en plus évident que les neutrinos et les antineutrinos pouvaient changer le goût différemment. Et cela pourrait expliquer pourquoi notre univers est rempli de matière. Pour mieux le comprendre, on prend actuellement des données dans deux expériences : NOnA aux États-Unis et T2K au Japon. Dans ces expériences, un rayon de protons se heurte à un morceau de graphite formant des particules. La désintégration de ces particules génère un grand nombre de neutrinos et d'antineutrinos. De plus, les particules générées par les protons en heurtant le graphite peuvent être contrôlées par des champs magnétiques afin qu'elles ne soient désintégrées qu'aux neutrinos ou aux antineutrinos.

Détecteur d'expérience de neutrino NOnA. En raison du peu d'interaction des neutrinos, les détecteurs sont géants pour augmenter la probabilité de collision d'un neutrino.

De cette façon, on peut produire des rayons de neutrino ou antineutrino. Ils traversent entre 500 et 800 kilomètres souterrains et sont détectés dans des détecteurs géants. Une fois analysés les résultats de ces expériences, on peut savoir si les neutrinos et les antineutrinos modifient à leur tour le goût.

Cependant, une seule expérience ne suffit pas pour obtenir les résultats définitifs. Pour cela, il est nécessaire d'unir les données de nombreuses expériences en un seul modèle théorique. Et c'est la base de ma thèse. Tout d'abord, j'ai développé des simulations d'expériences T2K et NOnA pour comprendre leurs résultats dans un cadre commun. Après avoir coïncidé avec les résultats d'autres expériences neutres des dernières décennies, tout ce que nous savons sur les changements de goût des neutrinos peut être quantifié avec des instruments statistiques.

Le résultat de cette analyse a été la différence entre neutrinos et antineutrinos. De plus, cette différence est assez grande: Mille fois plus fort que découvert en 1964 ! Ce résultat est donc surprenant et passionnant : il est possible que le neutrino soit la clé de la différence entre matière et antituerie du Big Bang.

Cependant, comprendre les résultats de ces expériences n'est pas facile. Avant d'arriver au détecteur, les neutrinos traversent des centaines de kilomètres. Selon nos théories, cela ne devrait pas influencer beaucoup les résultats. Mais les neutrinos ont déjà annulé les théories il y a 30 ans : il est indispensable d'analyser les données sans préjugés théoriques. Et si les neutrinos interagissent avec la matière, il est possible que les données soient interprétées différemment.

Cela a été la deuxième partie de ma thèse. J'ai étudié les interactions des neutrinos avec la matière et si d'autres expériences ont annulé ces interactions. De plus, de nouvelles interactions peuvent provoquer des différences entre la matière et l'antituerie. Comprendre cela est également essentiel pour comprendre les différences entre neutrinos et anti-neutrinos.

Distance [gauche] parcourue par des neutrinos dans l'expérience NOnA, de Chicago au Minnesota. Sur l'image de droite, la même distance sur une carte européenne : si les neutrinos quittaient Bergara, ils arriveraient à Compiègne, à 80 kilomètres de Paris. Source des cartes: Google Maps.

Ainsi, j'ai pu analyser toutes les données des expériences dans des modèles théoriques plus généraux. Cela a eu un résultat intéressant: il semble que ce que les expériences ont découvert pour le moment est que les neutrinos et les antineutrinos sont différents, et non la conséquence d'autres interactions. Pour conclure cela, il a été important d'avoir mené plusieurs expériences avec des neutrinos jusqu'à présent et il sera indispensable à l'avenir.

Il est intéressant que dans le Pays Basque quelques éléments de base sont en cours pour une expérience de ces caractéristiques. Dans quelques années sera construite en Suède la Source Européenne d'Espalación de Neutrones (ESS), avec la participation d'entreprises de la zone de Bilbao. ESS créera un rayon de neutrons pour étudier la science des matériaux. Mais le même processus de génération de neutrons produira onze neutrinos. Ces neutrinos ne modifieront pas leur goût ni ne serviront à analyser la différence entre matière et antituerie. Cependant, une partie de ma thèse a montré qu'avec les détecteurs appropriés pour ces neutrinos, nous pouvons parfaitement explorer leurs interactions. Cela permettra de mieux comprendre les expériences de changements de goût de neutrinos et donc les différences entre neutrinos et antineutrinos.

Et ce n'est pas la seule connexion entre la technologie des neutrinos et le Pays Basque. Bien que la recherche de neutrinos semble s'éloigner de la réalité, des détecteurs spécifiques ont été développés pour observer ce type de particules. Le projet PETALO du DIPC vise à utiliser ces détecteurs spécifiques en médecine nucléaire. Le vaccin est aussi la connaissance des neutrinos !

Ainsi, peu à peu, l'être humain en sait plus sur le début de l'univers. Le mystère de l'antimaterie se révèle avec les expériences de particules. Ces dernières années, il semble que les neutrinos peuvent être la clé et pour cela, il construit plusieurs expériences à travers le monde. Ce que nous apprendrons d'eux et quelles nouvelles questions nous apporteront les résultats...qui sait !

Références