L'expérience japonaise T2K, qui étudie les oscillations de neutrinos à longue distance , a récemment rapporté une observation révélant une différence significative entre les propriétés physiques fondamentales des neutrinos et celles de leurs antineutrinos. Cette observation suggère une piste pour expliquer l'un des plus grands mystères de la science : la prédominance de la matière sur l'antimatière dans l' Univers , et par conséquent notre existence même.
L' asymétrie matière -antimatière de l' Univers
Selon la théorie cosmologique, les particules et leurs antiparticules ont été produites par paires à partir du rayonnement lors du Big Bang. Les antiparticules sont des antimatières possédant des propriétés physiques quasi identiques à celles des particules, à l'exception de leur charge électrique et de leurs propriétés magnétiques, qui sont inversées. Or, l'existence de l' Univers , composé uniquement de matière, indique qu'une certaine symétrie matière-antimatière a été brisée lors du Big Bang. De ce fait, les paires n'ont pas pu s'annihiler complètement, empêchant ainsi la production de nouveau du rayonnement. Les physiciens recherchent encore des signes de violation de la symétrie CP, qui pourraient expliquer cette brisure de symétrie matière-antimatière dans l' Univers primordial.
La symétrie CP résulte de la combinaison de deux symétries distinctes : la conjugaison de charge (C) et l'inversion de parité (P). La conjugaison de charge C, appliquée à une particule chargée, inverse le signe de sa charge ; une particule chargée positivement devient donc chargée négativement et inversement. Les particules neutres restent inchangées sous l'action de C. La symétrie d'inversion de parité inverse les coordonnées spatiales de la particule sur laquelle elle agit : une particule dextrogyre devient lévogyre, un phénomène similaire à celui observé lorsqu'on se regarde dans un miroir. Enfin, lorsque la symétrie CP agit sur une particule dextrogyre chargée négativement, celle-ci se transforme en une particule lévogyre chargée positivement, qui est l'antiparticule. Ainsi, la matière et l'antimatière sont liées par la symétrie CP. Par conséquent, la symétrie CP a nécessairement été violée pour engendrer l' asymétrie matière-antimatière observée , mise en évidence pour la première fois par Sakharov en 1967 (1).
Puisque les interactions gravitationnelles, électromagnétiques et fortes sont invariantes sous la symétrie CP, la seule possibilité de rechercher une violation de CP dans la nature est celle des quarks et/ou des leptons, qui interagissent par interaction faible. Jusqu'à présent, la violation de CP a été mesurée expérimentalement dans le secteur des quarks ; cependant, son amplitude est trop faible pour expliquer l'asymétrie estimée de l' Univers . Par conséquent, la compréhension de la violation de CP dans le secteur des leptons revêt un intérêt particulier pour les physiciens afin de comprendre l'existence de l' Univers . La violation de CP dans le secteur des leptons peut être utilisée pour expliquer l'asymétrie matière-antimatière par un processus appelé leptogenèse (2).
Pourquoi les neutrinos sont-ils importants ?
Les neutrinos sont les particules massives les plus petites de la nature, dépourvues de charge électrique. Étant électriquement neutres , ils ne peuvent interagir ni par voie électromagnétique, ni par interaction forte. Leur masse infime, de l'ordre de 0.1 eV (environ 2 × 10⁻³⁷ kg ), explique également la très faible interaction gravitationnelle dont ils sont victimes. Les neutrinos n'interagissent avec d'autres particules que par le biais d'interactions faibles à courte portée.
Cette faible interaction des neutrinos en fait un instrument d'étude intéressant pour les objets astrophysiques lointains. Alors que même les photons peuvent être obscurcis, diffusés et dispersés par la poussière, les particules de gaz et le rayonnement de fond présents dans le milieu interstellaire, les neutrinos peuvent le traverser presque sans obstacle et atteindre les détecteurs terrestres. Dans ce contexte, étant donné leur faible interaction, les neutrinos pourraient être une explication plausible de la violation de CP.
Oscillation des neutrinos et violation de CP
Il existe trois types de neutrinos (𝜈) – 𝜈 𝑒 , 𝜈 𝜇 et 𝜈 𝜏 – chacun associé à une saveur leptonique : électron (e), muon (𝜇) et tau (𝜏). Les neutrinos sont produits et détectés comme des états propres de saveur par interaction faible avec le lepton chargé de saveur correspondante, tandis qu'ils se propagent comme des états de masse définie, appelés états propres de masse. Ainsi, un faisceau de neutrinos de saveur définie à la source devient un mélange des trois saveurs au point de détection après avoir parcouru une certaine distance ; la proportion des différents états de saveur dépendant des paramètres du système. Ce phénomène est connu sous le nom d'oscillation des neutrinos, ce qui rend ces particules minuscules si particulières !
Théoriquement, chaque état propre de saveur du neutrino peut être exprimé comme une combinaison linéaire des trois états propres de masse, et réciproquement. Le mélange est décrit par une matrice unitaire appelée matrice de Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) (3,4). Cette matrice de mélange unitaire tridimensionnelle est paramétrée par trois angles de mélange et des phases complexes. Parmi ces phases complexes, l'oscillation des neutrinos est sensible à une seule, notée δCP , qui est l'unique source de violation de CP dans le secteur leptonique. δCP peut prendre n'importe quelle valeur entre −180° et 180°. Alors que δCP = 0, ±180° signifie que les neutrinos et les antineutrinos se comportent de manière identique et que la symétrie CP est conservée, δCP = ±90° indique une violation maximale de CP dans le secteur leptonique du Modèle Standard. Toute valeur intermédiaire est indicative d'une violation de CP à des degrés divers. Par conséquent, la mesure de δCP est l'un des objectifs les plus importants de la communauté de la physique des neutrinos.
Mesure des paramètres d'oscillation
Les neutrinos sont produits en abondance lors des réactions nucléaires, comme ceux du Soleil, d'autres étoiles et des supernovae. Ils sont également produits dans l'atmosphère terrestre par l'interaction des rayons cosmiques de haute énergie avec les noyaux atomiques. Pour avoir une idée du flux de neutrinos, environ 100 XNUMX milliards nous traversent chaque seconde. Mais on ne s'en rend même pas compte car ils interagissent très faiblement. Cela rend la mesure des propriétés des neutrinos pendant les expériences d'oscillation des neutrinos un travail vraiment difficile !
Pour mesurer ces particules insaisissables, les détecteurs de neutrinos sont grands, ayant des kilotonnes de masse et les expériences prennent plusieurs années pour obtenir des résultats statistiquement significatifs. En raison de leurs faibles interactions, il a fallu environ 25 ans aux scientifiques pour détecter expérimentalement le premier neutrino après que Pauli a postulé leur présence en 1932 pour expliquer la conservation de l'énergie-impulsion dans la désintégration bêta nucléaire (montrée sur la figure (5)).
Les scientifiques ont mesuré les trois angles de mélange avec une précision supérieure à 90 % et un niveau de confiance de 99.73 % (3σ) (6). Deux de ces angles sont importants et permettent d'expliquer les oscillations des neutrinos solaires et atmosphériques. Le troisième, noté θ<sub> 13 </sub>, est faible, sa valeur optimale étant d'environ 8.6°. Il n'a été mesuré expérimentalement que récemment, en 2011, par l'expérience Daya-Bay sur les neutrinos de réacteur en Chine. Dans la matrice PMNS, la phase δ<sub> CP </sub> n'apparaît que dans la combinaison sinθ<sub> 13</sub> e <sup>-iδ <sub> CP </sub> </sup> , ce qui rend sa mesure expérimentale difficile.
Le paramètre qui quantifie le degré de violation de CP dans les secteurs des quarks et des neutrinos est appelé invariant de Jarlskog 𝐽 𝐶𝑃 (7), et dépend des angles de mélange et de la phase de violation de CP. Dans le secteur des quarks, 𝐽 𝐶𝑃 ≈ 3 × 10⁻⁵ , tandis que dans le secteur des neutrinos, 𝐽 𝐶𝑃 ≈ 0.033 sin𝛿 𝐶𝑃 . L'invariant de Jarlskog peut donc être jusqu'à trois ordres de grandeur supérieur à celui du secteur des quarks, selon la valeur de 𝛿 𝐶𝑃.
Résultat de T2K – un indice pour résoudre le mystère de l'asymétrie matière-antimatière
Dans l'expérience d'oscillation de neutrinos à longue distance T2K (Tokai-to-Kamioka au Japon), des faisceaux de neutrinos ou d'antineutrinos sont générés au Complexe de recherche sur l'accélérateur de protons du Japon (J-PARC) et détectés par le détecteur Cerenkov à eau de Super-Kamiokande, après avoir parcouru 295 km à travers la Terre. Cet accélérateur pouvant produire des faisceaux de neutrinos μ ou de son antiparticule μ̅, et le détecteur pouvant détecter μ , μe et leurs antiparticules μ̅ et μ̅e, les chercheurs disposent de résultats issus de quatre processus d'oscillation différents et peuvent ainsi effectuer une analyse permettant d'obtenir des bornes précises sur les paramètres d'oscillation. Cependant, la phase de violation de CP 𝛿 𝐶𝑃 n'apparaît que dans le processus où les neutrinos changent de saveur, c'est-à-dire dans les oscillations 𝜈𝜇→𝜈𝑒 et 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 – toute différence dans ces deux processus impliquerait une violation de CP dans le secteur leptonique.
Dans une communication récente, la collaboration T2K a présenté des bornes intéressantes sur la violation de CP dans le secteur des neutrinos, en analysant les données collectées entre 2009 et 2018 (8). Ce nouveau résultat a permis d'éliminer environ 42 % des valeurs possibles de δCP . Plus important encore, le cas où la symétrie CP est conservée a été exclu avec un niveau de confiance de 95 %, et il semblerait que la violation maximale de CP soit privilégiée dans la nature.
Dans le domaine de la physique des hautes énergies, un niveau de confiance de 5𝜎 (soit 99.999 %) est requis pour revendiquer une nouvelle découverte. Des expériences de nouvelle génération sont donc nécessaires pour obtenir des statistiques suffisantes et une plus grande précision pour la découverte de la phase de violation de CP. Cependant, les résultats récents du T2K constituent une avancée significative vers notre compréhension de l'asymétrie matière-antimatière du Univers par la violation de CP dans le secteur des neutrinos, pour la première fois.
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Références:
1. Sakharov, Andrei D., 1991. « Violation de l'invariance CP, de l'asymétrie C et de l'asymétrie baryonique de l'univers ». Soviet Physics Uspekhi, 1991, 34 (5), 392–393. DOI : https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. Bari Pasquale Di, 2012. Introduction à la leptogenèse et aux propriétés des neutrinos. Contemporary Physics, vol. 53, n° 4, 2012, p. 315-338. DOI : https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. Maki Z., Nakagawa M. et Sakata S., 1962. Remarques sur le modèle unifié des particules élémentaires. Progress of Theoretical Physics, volume 28, numéro 5, novembre 1962, pages 870-880, DOI : https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. Pontecorvo B., 1958. Processus bêta inverses et non-conservation de la charge leptonique. Journal of Experimental and Theoretical Physics (URSS) 34, 247-249 (janvier 1958). Disponible en ligne : http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Consulté le 23 avril 2020.
5. Inductiveload, 2007. Désintégration bêta-moins. [Image en ligne] Disponible sur https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Consulté le 23 avril 2020.
6. Tanabashi M., et al. (Particle Data Group), 2018. Masses, mélange et oscillations des neutrinos, Phys. Rev. D98, 030001 (2018) et mise à jour 2019. DOI : https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog répond. Phys. Le révérend Lett. 57, 2875. DOI : https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. Collaboration T2K, 2020. Contrainte sur la phase de violation de la symétrie matière-antimatière dans les oscillations de neutrinos. Nature, volume 580, pages 339-344 (2020). Publié le 15 avril 2020. DOI : https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
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