Des chercheurs du Laboratoire national de Los Alamos ont récemment réalisé une expérience sur les neutrinos, dont les résultats sont similaires à ceux obtenus lors d’expériences précédentes ayant mis en évidence la célèbre « anomalie du gallium ». Cette confirmation expérimentale pourrait signifier l’existence d’un quatrième type de neutrino, qui n’aurait aucune interaction avec la matière.
Depuis la fin des années 1980, l’expérience SAGE (Soviet American Gallium Experiment) mesure le flux de neutrinos solaires radiochimiques en utilisant une cible de gallium — ce dernier, en capturant un neutrino, forme du germanium. Le laboratoire se trouve à 2100 mètres sous terre, à l’observatoire de neutrinos de Baksan, dans les montagnes du Caucase. À cette profondeur, l’expérience est à l’abri du rayonnement cosmique. Mais sur plus de vingt années de mesures, le taux de capture de neutrinos s’est avéré bien en deçà (de 15% environ) de ce que prédisent les modèles solaires standard, ce que les physiciens nomment « l’anomalie du gallium ».
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Dès lors, les physiciens se sont intéressés à cette anomalie — qui avait par ailleurs été mise en évidence par l’expérience GALLEX, dans le laboratoire souterrain du Gran Sasso, en Italie. L’hypothèse d’un éventuel artefact expérimental ayant été éliminée, l’écart observé suggérait des propriétés jusqu’alors inconnues des neutrinos. L’expérience Baksan sur les transitions stériles (BEST) a donc été spécialement mise au point pour étudier ce déficit inattendu. Les dernières mesures effectuées par les physiciens révèlent la même anomalie, ce qui pourrait être interprété comme la preuve d’oscillations entre les états de neutrino électronique (νe) et de neutrino stérile (νs).
Une anomalie définitivement confirmée
Les neutrinos sont des particules élémentaires (des fermions) de spin ½, qui sont électriquement neutres. Il en existe trois types ou « saveurs » : les neutrinos électroniques, muoniques et tauiques. Le neutrino stérile est, quant à lui, un type hypothétique de neutrino qui n’interagit via aucune des interactions fondamentales du modèle standard de la physique des particules, hormis la gravité. Les récents résultats de l’expérience BEST pourraient constituer la preuve de l’existence de cette nouvelle saveur, ou bien souligner la nécessité d’une nouvelle interprétation d’un aspect du modèle standard de la physique des particules.
« Cela réaffirme définitivement l’anomalie que nous avons observée dans les expériences précédentes. Mais ce que cela signifie n’est pas évident. Il y a maintenant des résultats contradictoires sur les neutrinos stériles. Si les résultats indiquent que la physique nucléaire ou atomique fondamentale est mal comprise, ce serait également très intéressant », a déclaré Steve Elliott, analyste principal de l’une des équipes chargées d’évaluer les données et membre de la division Physique du laboratoire de Los Alamos.
Dans le cadre de l’expérience BEST, les chercheurs ont utilisé 26 disques irradiés de chrome 51 — un radio-isotope synthétique du chrome, source de 3,4 mégacuries de neutrinos électroniques — pour irradier deux cibles imbriquées, un réservoir de gallium à double couche (les expériences précédentes n’utilisaient qu’un seul réservoir).
La réaction entre les neutrinos électroniques provenant du chrome 51 et du gallium produit l’isotope germanium 71. Cette production a été mesurée à intervalles réguliers à 10 reprises dans chacun des deux compartiments ; les deux zones de production étaient séparées d’un mètre de distance environ, ce qui permettait de détecter un potentiel phénomène d’oscillation de neutrinos à courte distance.
Comme pour les expériences précédentes, BEST a fait l’objet d’un examen approfondi de sa méthodologie, pour s’assurer qu’aucune erreur n’a été commise dans certains aspects de la recherche (tel que le placement de la source de rayonnement ou le fonctionnement du système de comptage). Les résultats, aussi surprenants qu’ils soient, ne pouvaient ainsi être attribués qu’à la réaction elle-même.
Un composant de la matière noire ?
Après avoir soustrait la composante induite par les neutrinos solaires, le taux mesuré de production de germanium 71 était 54,9 ± 2,5 noyaux par jour dans le réservoir interne, et de 55,5 ± 2,7 noyaux par jour dans le réservoir externe. Ces chiffres sont de 20 à 24% inférieurs à ceux attendus sur la base de la modélisation théorique, rapportent les chercheurs. Cet écart est conforme à l’anomalie observée dans les expériences précédentes et ces taux sont cohérents avec des oscillations νe -> νs relativement importantes.
Il se trouve que le neutrino stérile, jusqu’à présent hypothétique, pourrait constituer une partie importante de la matière noire — une matière hypothétique qui constituerait près de 27% de la densité énergétique de l’Univers et qui pourrait expliquer plusieurs observations astrophysiques. « Cette interprétation pourrait toutefois nécessiter des tests supplémentaires, car la mesure pour chaque réservoir était à peu près la même, bien que plus faible que prévu », souligne l’équipe.
Cette anomalie pourrait également s’expliquer par des données initiales erronées, ce qui signifie que la physique elle-même doit être retravaillée, comme évoqué précédemment par Steve Elliott. Le physicien souligne notamment que « la section transversale » du neutrino électronique n’a jamais été mesurée à ces énergies — cette section transversale désignant la probabilité d’interaction du neutrino, qui augmente avec l’énergie. « Par exemple, la densité d’électrons au niveau du noyau atomique est une donnée théorique nécessaire à la mesure de la section transversale, mais difficile à confirmer », explique le communiqué du laboratoire.
Si d’autres expériences similaires sont réalisées à l’avenir, elles pourraient inclure une source de rayonnement différente, d’énergie plus élevée et de demi-vie plus longue, ainsi qu’une sensibilité à des longueurs d’onde d’oscillation plus courtes, selon les chercheurs. La collaboration américano-russe étant actuellement impossible au laboratoire de Baksan, on ne sait si ces travaux de recherche reprendront un jour ou non.
Sources : V. Barinov et al., Physical Review Letters et Physical Review C
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