Les physiciens ont peut-être résolu le mystère de 30 ans des neutrinos manquants

Un mystère de 30 ans

Pendant trois décennies, les physiciens ont été intrigués par une divergence persistante dans les expériences impliquant les neutrinos—ces particules fantomatiques qui interagissent à peine avec la matière. La soi-disant « anomalie du gallium » est apparue pour la première fois dans les années 1990 lorsque des détecteurs utilisant du gallium, un métal mou et argenté, ont systématiquement observé moins de neutrinos que les prédictions théoriques. Ce déficit suggérait la possibilité d'un nouveau type de particule, peut-être un neutrino stérile, ce qui aurait des implications profondes pour notre compréhension de l'univers. Mais une nouvelle étude suggère que l'anomalie pourrait être expliquée par une cause plus banale : des erreurs dans les taux de réaction calculés utilisés pour calibrer ces expériences.

L'anomalie du gallium expliquée

Les détecteurs de neutrinos à base de gallium fonctionnent en exploitant une réaction nucléaire spécifique : lorsqu'un neutrino interagit avec un noyau de gallium-71, il peut se transformer en germanium-71, émettant un électron. En mesurant le taux de production de germanium, les scientifiques peuvent déduire le flux de neutrinos. Cependant, depuis les années 1990, des expériences comme GALLEX et SAGE ont rapporté un déficit d'environ 10 à 20 % dans le nombre attendu de neutrinos. Ce déficit a été initialement attribué à l'existence possible de neutrinos stériles—des particules hypothétiques qui n'interagissent que par gravité et non par la force nucléaire faible. Si les neutrinos stériles existent, ils pourraient osciller avec les neutrinos ordinaires, conduisant à un taux de détection réduit.

Mais la nouvelle étude, publiée par une équipe de physiciens, offre une explication différente. Ils soutiennent que les calculs théoriques du taux de capture des neutrinos sur le gallium, qui sont basés sur des modèles de physique nucléaire, pourraient être légèrement erronés. En révisant ces calculs, l'anomalie pourrait disparaître complètement, sans avoir besoin de nouvelle physique.

Réexamen de la physique nucléaire

L'équipe s'est concentrée sur le soi-disant « processus de Bethe-Heitler », qui décrit comment les neutrinos interagissent avec les noyaux. En particulier, ils ont réévalué la section efficace—la probabilité qu'un neutrino interagisse avec un noyau de gallium—en utilisant des données plus précises provenant de récentes expériences nucléaires. Ils ont constaté que les valeurs de section efficace utilisées précédemment étaient surestimées, conduisant à un nombre attendu de neutrinos trop élevé. Lorsqu'ils ont corrigé ces valeurs, le nombre prédit de neutrinos correspondait aux comptages observés dans les incertitudes expérimentales.

Cette découverte est significative car elle suggère que l'anomalie du gallium pourrait ne pas être une preuve de l'existence de neutrinos stériles après tout. Au lieu de cela, elle souligne l'importance de données nucléaires précises dans l'interprétation des expériences sur les neutrinos. Les calculs de l'équipe étaient basés sur une analyse détaillée de la structure nucléaire des isotopes de gallium et de germanium, utilisant des modèles théoriques de pointe et des données expérimentales provenant d'accélérateurs de particules.

Implications pour la physique des neutrinos

Si la nouvelle interprétation est correcte, elle résoudrait une divergence de longue date et éliminerait l'un des rares indices en faveur des neutrinos stériles. Les neutrinos stériles sont un candidat populaire pour la matière noire et pourraient expliquer diverses anomalies en physique des particules, mais leur existence reste non confirmée. La nouvelle étude n'exclut pas définitivement les neutrinos stériles, mais elle retire l'anomalie du gallium comme preuve de leur existence.

Cependant, tous les physiciens ne sont pas convaincus. Certains soutiennent que les calculs révisés pourraient introduire de nouvelles incertitudes, et que l'anomalie pourrait toujours être un signe de nouvelle physique. D'autres soulignent que d'autres expériences, comme MiniBooNE et LSND, ont également rapporté des anomalies qui pourraient être expliquées par des neutrinos stériles. Néanmoins, la nouvelle étude fournit une explication alternative plausible et testable.

Expériences futures

Le débat est susceptible de continuer, mais de futures expériences pourraient aider à le trancher. Par exemple, l'expérience BEST (Baksan Experiment on Sterile Transitions), qui utilise une source artificielle de neutrinos puissante, a déjà fourni des données qui pourraient être réanalysées avec les nouveaux calculs. De plus, les prochaines expériences comme JUNO et Hyper-Kamiokande, conçues pour mesurer précisément les propriétés des neutrinos, pourraient offrir des perspectives supplémentaires.

La nouvelle étude souligne également la nécessité de données nucléaires plus précises. Alors que les expériences sur les neutrinos deviennent plus sensibles, la précision de la physique nucléaire sous-jacente devient de plus en plus critique. Ce travail démontre que même des processus apparemment bien compris peuvent receler des erreurs subtiles qui peuvent conduire à de grandes erreurs d'interprétation.

Conclusion

Le mystère de 30 ans des neutrinos manquants pourrait enfin être résolu, non pas en découvrant une nouvelle particule, mais en affinant notre compréhension de la physique connue. Bien que l'existence des neutrinos stériles reste une question ouverte, cette étude montre qu'une attention particulière aux détails nucléaires peut résoudre des anomalies apparentes. Alors que le domaine progresse, l'interaction entre la physique nucléaire et la physique des particules continuera d'être une riche source de découvertes.

Cet article est basé sur un reportage de New Scientist. Lire l'article original.