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Nous en sommes quasiment certains : les neutrinos muoniques peuvent se transformer en neutrinos tauiques. C'est ce qu'ont démontré des scientifiques de l'expérience OPERA à Gran Sasso (Italie,) dont un physicien de l'université de Berne, avec une précision insoupçonnée jusqu'à présent. Les chercheurs ont communiqué ce résultat à l'occasion d'un séminaire à Gran Sasso.
Les neutrinos sont des particules élémentaires avec une très faible masse qui ne portent aucune charge électrique, d'où le nom « Neutrino » qui signifie « petit neutron » en italien. Les neutrinos n'interagissent que très faiblement avec d'autre particules. C'est pourquoi ils peuvent facilement traverser le globe terrestre sans être observés. L'inconvénient pour les physiciens est qu'il est très difficile de dépister les neutrinos et d'en savoir plus sur leur existence.
Mécanisme de la mécanique quantique
Il existe trois types de neutrinos (flavours en angl.) : électron, muon et tau. Ce faisant, les neutrinos d'un type peuvent se transformer en un autre type. « Cette transformation d'un type à l'autre est un mécanisme de mécanique quantique », affirme Antonio Ereditato de l'université de Berne, un des plus grands experts en neutrinos du monde. « Vous pouvez vous imaginer cette transformation comme la transformation d'un faisceau lumineux composé de différente couleurs : si une couleur change, la couleur globale du faisceau change également », propose Ereditato.
La transformation d'un neutrino muonique en un neutrino tauique est une transformation de ce genre. La transformation a le caractère d'une oscillation. Cela signifie qu'un neutrino muonique se transforme dans un certain laps de temps en neutrino tauique puis de nouveau en neutrino muonique (et ainsi de suite). Les physiciens peuvent observer une telle transformation uniquement lorsque le neutrino muonique est suffisamment longtemps sur son trajet, par exemple les 730 kilomètres de Genève à Gran Sasso dans les Abruzzes italiennes. Ce trajet est tout juste assez long pour pouvoir observer la première oscillation (de muon à tau).
Le quatrième neutrino tauique observé par OPERA
Afin de parvenir à observer concrètement cette transformation théoriquement prévue, le Prof. Ereditato et deux collègues ont suggéré l'élaboration de l'expérience OPERA dans les années 90. Cette expérience se compose d'un détecteur souterrain à Gran Sasso. Ce détecteur permet d'observer les neutrinos muoniques produit au CERN de Genève après qu'ils se soient transformés en neutrinos tauiques sur le chemin de Genève à Gran Sasso. Dans la meure où une telle transformation n'a lieu que très rarement, elle est extrêmement difficile à observer. L'expérience OPERA est en cours depuis 2008 et peut détecter les neutrinos tauiques. Mais ce n'est qu'après deux années, c'est-à-dire en 2010, que le premier neutrino tauique fut observé. Le suivant a suivi en 2012, le troisième en 2013 et le quatrième maintenant.
« Maintenant que nous avons observé le quatrième neutrino tauique à Gran Sasso, nous pouvons affirmer avec une probabilité proche de la certitude (4.2 Sigma) que cette transformation du neutrino muonique en neutrino tauique a vraiment lieu », déclare Antonio Ereditato de l'université de Berne, dont l'institut de physique est aujourd'hui le premier institut suisse impliqué dans l'expérience OPERA. « Il s'agit également d'un succès dans la mesure où aucune autre expérience n'a permis jusqu'à présent d'observer directement la transformation d'un neutrino muonique en neutrino tauique », souligne Ereditato.
Apporter la preuve a duré des décennies
Le physicien italien Bruno Pontecorvo avait déjà postulé dans les années 50 que les neutrinos pouvaient se transformé d'un type à l'autre. Toutefois, ce n'est qu'en 1998 qu'une expérience japonaise (SUPER-KAMIOKANDE) a observé pour la première fois une telle transformation (il s'agissait à l'époque de la pure disparition de neutrinos muoniques). Depuis, des physiciens dépensent leur énergie à comprendre plus précisément ce processus de transformation et le neutrino encore plein de mystère.
Une autre expérience japonaise (T2K) et l'expérience OPERA en Italie ont les deux seules expériences en mesure d'observer directement la transformation des neutrinos. D'autres scientifiques sont parvenus uniquement à démontrer indirectement ce processus par la disparition des neutrinos. Ils ont ainsi observé de neutrinos muoniques générés par le rayonnement cosmique et le soleil. Étonnamment, beaucoup moins de neutrinos muoniques sont arrivés sur terre que ce que l'on avait initialement pensé. Les connaissances actuelles permettent de comprendre facilement ce phénomène : les neutrinos muoniques « manquants » n'ont pas pu être observés sur la terre car ils s'étaient transformés en neutrinos tauiques entretemps. D'autres expériences utilisées en tant que source pour des accélérateurs de particules ou des centrales nucléaires ont également pu démontrer les neutrinos muoniques « manquants ».
11 états impliqués
L'expérience OPERA à Gran Sasso a lieu sous le toit de l'Istituto nazionale di fisica nucleare (INFN). 140 physiciens de 11 états dont la Suisse travaillent sur l'expérience OPERA. Le laboratoire souterrain de Gran Sasso se compose d'un détecteur de 4000 tonnes que l'on peut s'imaginer, pour simplifier, comme une caméra capable de photographier les neutrinos.
Benedikt Vogel (publié le 25. 3. 2014)