Où est passée l'antimatière ? L'éclairage prometteur des neutrinos

Publié par Adrien le 16/04/2020 à 09:00
Source: CNRS
Si nous vivons dans un monde de matière, c'est parce que celle-ci a très vite pris le dessus sur l'antimatière, alors qu'elles ont toutes deux été créées en quantités parfaitement égales par le Big Bang, aux premiers instants de notre Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.). De forts indices d'une différence de comportement des neutrinos et des antineutrinos, les particules d'antimatière (L'antimatière est l'ensemble des antiparticules des particules composant la matière classique — celle dont est faite la Terre. Le préfixe...) qui leur sont associées, sont rapportés le 16 avril 2020 dans Nature, dont ils font la couverture. Ils offrent une piste prometteuse pour expliquer l'asymétrie (L'asymétrie est l’absence de symétrie, ou son inverse. Dans la nature, les crabes violonistes en sont des exemples spectaculaires.) entre matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide,...) et antimatière. Ces observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) de l'expérience T2K menée au Japon et à laquelle sont associés trois laboratoires français du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), de l'École polytechnique - Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for...) polytechnique de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents de la Marne et de la Seine en...), de Sorbonne (La Sorbonne est un complexe monumental du Quartier latin de Paris. Elle tire son nom du théologien du XIIIe siècle Robert de Sorbon, le fondateur du collège de Sorbonne, collège...) Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) et du CEA, pourraient nous aider à expliquer cette mystérieuse disparition.


Le détecteur de Super-Kamiokande (L'expérience Super-Kamiokande, situé au Japon près de la ville de Mozumi, consiste en un immense cylindre de 40m de haut et 40m de diamètre rempli de plus de 50 000 tonnes...) est une cuve de 40 mètres de haut et de 40 mètres de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment. Pour indiquer qu'une valeur...), remplie de 50 000 tonnes d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) ultra-pure, et tapissée de 13 000 détecteurs. Pour son successeur Hyper-K, la cuve sera plus grande (Notre-Dame de Paris pourrait y tenir) et dotée de détecteurs plus sensibles. Les faisceaux de neutrinos monteront aussi en puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :).
© Kamioka Observatory, ICRR, The University of Tokyo

Comme observé dans leurs expériences, les physiciens sont convaincus depuis longtemps que matière et antimatière furent créées en quantités parfaitement égales à la naissance de l'Univers. Lorsqu'elles interagissent, les particules de matière et d'antimatière s'annihilent, ce qui aurait dû finalement laisser un Univers vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), rempli seulement d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.). Or, comme nous pouvons le constater en regardant autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre...) de nous, la matière a finalement pris le pas sur l'antimatière. Pour expliquer ce déséquilibre, les physiciens cherchent des asymétries dans le comportement des particules de matière et d'antimatière, asymétries qu'ils nomment violations de symétrie CP (En physique des particules, une théorie possède la symétrie CP si elle est invariante sous une transformation simultanée de conjugaison de charge, qui échange particules...).

Depuis plusieurs décennies, les scientifiques ont détecté des défauts de symétrie entre les quarks (des constituants des atomes) et leurs antiparticules. Cependant, l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) de cette violation n'est pas assez grande pour expliquer la disparition de l'antimatière dans l'Univers. Une autre piste semble prometteuse: une asymétrie entre les comportements des neutrinos et des antineutrinos pourrait constituer une grande part de la réponse. C'est ce que recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également le cadre...) l'expérience T2K, qui se déroule au Japon et à laquelle collaborent en France le Laboratoire Leprince-Ringuet (CNRS/École polytechnique - Institut polytechnique de Paris), le Laboratoire de physique nucléaire (La physique nucléaire est la description et l'étude du principal constituant de l'atome : le noyau atomique. On peut distinguer :) et des hautes énergies (CNRS/Sorbonne Université) et l'Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers du CEA.


Détection d'un neutrino électronique (à gauche) et d'un anti-neutrino électronique (à droite) dans Super-Kamiokande. Quand un neutrino ou un antineutrino électronique interagit avec l'eau, un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) ou un positron (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron. Il possède une charge électrique de +1 (contre -1 pour l'électron), le même spin et la même masse que l'électron.) est produit. Ils émettent un faible anneau de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs...) (dite Tcherenkov) qui est détecté par près de 13 000 photo-détecteurs. La couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) sur les figures rend compte de la détection des photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement...) au cours du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.).
© T2K Collaboration

Les neutrinos sont des particules élémentaires extrêmement légères. Elles traversent tous les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.), sont très difficiles à détecter, et encore plus à étudier avec précision. Il en existe trois types, ou "saveurs": électronique, muonique et tauique. Le comportement qui pourrait différer entre neutrinos et antineutrinos est celui de l'oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à amplitude constante soit amorties. Elles répondent aux mêmes équations quel que soit le...), la capacité de ces particules à changer de saveur lors de leur propagation. L'expérience T2K utilise alternativement des faisceaux de neutrinos et d'antineutrinos de saveur muonique, produits par un accélérateur de particules (Les accélérateurs de particules sont des instruments qui utilisent des champs électriques et/ou magnétiques pour amener des particules chargées électriquement à des vitesses élevées. En d'autres...) au centre de recherches J-PARC, sur la côte est du Japon. Près de la côte ouest (L’ouest est un point cardinal, opposé à l'est. C'est la direction vers laquelle se couche le Soleil à l'équinoxe, le couchant (ou ponant).), une petite fraction des faisceaux de neutrinos (ou d'antineutrinos) envoyés par J-PARC est détectée grâce à la trace (TRACE est un télescope spatial de la NASA conçu pour étudier la connexion entre le champ magnétique à petite échelle du...) lumineuse qu'ils laissent dans les 50 000 tonnes d'eau du détecteur Super-Kamiokande, implanté à 1 000 mètres de profondeur dans une ancienne mine. Au cours de leur parcours de 295 km à travers les roches (une fraction de seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est une...) à la vitesse (On distingue :) de la lumière), certains des neutrinos (ou antineutrinos) muoniques ont oscillé et pris une autre saveur, dite électronique.

En comptant le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de particules qui ont atteint Super-Kamiokande avec une saveur différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie à...) de celle avec laquelle elles avaient été produites à J-PARC, la collaboration T2K a montré que les neutrinos semblent osciller plus souvent que les antineutrinos. Les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) pointent même vers une asymétrie quasi maximale (voir schéma ci-dessous) entre le comportement des neutrinos et celui des antineutrinos.


Le paramètre δCP peut être considéré comme un angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) qui traduit le degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) d'asymétrie entre matière et antimatière. S'il vaut 0 ou 180°, il n'y a aucune asymétrie. L'asymétrie est maximale si ce paramètre vaut -90 ou +90°. Les résultats présentés ici donnent la meilleure estimation à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel....) de ce paramètre. Ils excluent pour la première fois près de la moitié des valeurs possibles à 99.7% (3σ) de degré de confiance (zone grisée). Les valeurs 0º et 180º sont exclues à 95% de niveau de confiance, ce qui pourrait indiquer que la symétrie CP est violée dans les oscillations de neutrinos. La flèche indique la valeur qui est le plus compatible avec les données: elle est proche de 90°, donc d'une asymétrie maximale.
© T2K Collaboration

Ces résultats, fruits de dix ans de données accumulées dans Super-Kamiokande avec un total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le total des dettes". En physique...) de 90 neutrinos et 15 antineutrinos électroniques détectés, n'ont pas encore la statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de l'application d'une méthode statistique à un ensemble de...) suffisante pour les qualifier de découverte ; ils constituent néanmoins une indication (Une indication (du latin indicare : indiquer) est un conseil ou une recommandation, écrit ou oral.) forte et une étape importante. L'expérience T2K va se poursuivre avec une meilleure sensibilité. Une nouvelle génération d'expériences devrait multiplier la production de données dans les prochaines années: les détecteurs Hyper-K, le successeur de Super-Kamiokande au Japon, dont la construction vient d'être actée et Dune (Une dune est un relief composé de sable. Des dunes, dites « dunes hydrauliques », peuvent se former et se déplacer sous la mer. Toutes...), en cours de construction aux États-Unis, devraient être opérationnels vers 2027-2028. Si leurs nouvelles données confirment les résultats préliminaires de T2K, les neutrinos pourraient bien apporter d'ici dix ans une réponse au problème de la disparition de l'antimatière dans notre Univers.

L'expérience T2K a été construite et est exploitée par une collaboration de près de 500 scientifiques de 68 laboratoires dans 12 pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la civitas...). Les laboratoires français ont été des acteurs majeurs de la construction et de la mise en oeuvre des détecteurs proches (qui permettent de caractériser le faisceau avant que les neutrinos n'aient eu le temps de changer de saveur) ainsi que de l'expérience ancillaire menée au CERN pour une meilleure compréhension du faisceau. Ils sont très impliqués dans l'analyse globale des données et sont maintenant engagés dans le vaste programme d'amélioration des détecteurs proches.

Bibliographie:
Constraint on the Matter-Antimatter Symmetry-Violating Phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) in Neutrino Oscillations, collaboration T2K.
Nature, le 16 avril 2020.
DOI: 10.1038/s41586-020-2177-0.
Aussi disponible sur: https://arxiv.org/abs/1910.03887
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