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Dévoiler le mystère de l'asymétrie matière-antimatière de l'Univers avec des expériences d'oscillation de neutrinos

T2K, une expérience d'oscillation de neutrinos à longue distance au Japon, a récemment rapporté une observation dans laquelle ils ont détecté une preuve solide d'une différence entre les propriétés physiques fondamentales des neutrinos et celles de l'antimatière correspondante, les anti-neutrinos. Cette observation laisse entrevoir l’explication de l’un des plus grands mystères de la science : l’explication de la domination de la matière dans le monde. Univers sur l'antimatière, et donc sur notre existence même.

L'asymétrie matière-antimatière du Univers

Selon la théorie de la cosmologie, les particules et leurs antiparticules ont été produites par paires à partir des radiations lors du Big-Bang. Les antiparticules sont des antimatières ayant presque les mêmes propriétés physiques que leurs homologues matières, c'est-à-dire les particules, à l'exception de la charge électrique et des propriétés magnétiques qui sont inversées. Cependant, le Univers existe et est constitué uniquement de matière indique qu'une certaine symétrie matière-antimatière a été rompue au cours du Big-Bang, à cause de laquelle les paires n'ont pas pu s'annihiler complètement, produisant à nouveau un rayonnement. Les physiciens sont toujours à la recherche de signatures de violation de la symétrie CP, ce qui pourrait expliquer la rupture de la symétrie matière-antimatière au début Univers.

La symétrie CP est le produit de deux symétries différentes : la conjugaison de charge (C) et l'inversion de parité (P). La conjugaison de charge C lorsqu'elle est appliquée sur une particule chargée change le signe de sa charge, de sorte qu'une particule chargée positivement devient chargée négativement et vice-versa. 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. Enfin, lorsque CP agit sur une particule droite chargée négativement, elle est convertie en une particule gauche chargée positivement, qui est l'antiparticule. Ainsi, la matière et l'antimatière sont liées l'une à l'autre par la symétrie CP. Par conséquent, CP doit avoir été violé afin de générer le asymétrie matière-antimatière, qui a été signalée pour la première fois par Sakharov en 1967 (1).

Puisque les interactions gravitationnelles, électromagnétiques ainsi que fortes sont invariantes sous la symétrie CP, le seul endroit où rechercher une violation CP dans la nature est dans le cas 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, mais elle est trop petite pour générer l'asymétrie estimée du Univers. Par conséquent, comprendre la violation CP dans le secteur des leptons présente un intérêt particulier pour les physiciens car ils souhaitent comprendre l'existence de la Univers. La violation de CP dans le secteur lepton peut être utilisée pour expliquer l'asymétrie matière-antimatière par un processus appelé leptogenèse (2).

Pourquoi les neutrinos sont-ils importants ?

Neutrinos sont les particules les plus petites et massives de la nature sans charge électrique. Étant électriquement neutre, neutrinos ne peuvent pas avoir d’interactions électromagnétiques, et ils n’ont pas non plus d’interactions fortes. Les neutrinos ont des masses minuscules de l'ordre de 0.1 eV (~ 2 × 10-37kg), donc l’interaction gravitationnelle est également très faible. La seule façon neutrinos peut interagir avec d’autres particules par le biais d’interactions faibles à courte portée.

Cette propriété de faible interaction du neutrinos, cependant, en fait une sonde intéressante pour étudier des objets astrophysiques éloignés. Alors que même les photons peuvent être obscurcis, diffusés et dispersés par la poussière, les particules de gaz et les rayonnements de fond présents dans le milieu interstellaire, neutrinos peuvent passer pratiquement sans entrave et atteindre les détecteurs terrestres. Dans le contexte actuel, étant donné qu’il interagit faiblement, le secteur des neutrinos peut être un candidat viable pour contribuer à la violation du CP.

Oscillation des neutrinos et violation de CP

Il existe trois types de neutrinos (𝜈) – 𝜈𝑒,𝜇 et𝜏 – un associé à chaque lepton saveurs électron (e), muon (𝜇) et tau (𝜏). Les neutrinos sont produits et détectés sous forme d'états propres de saveur via de faibles interactions en association avec le lepton chargé de la saveur correspondante, alors qu'ils se propagent sous forme d'états avec des masses définies, appelés états propres de masse. Ainsi, un faisceau de neutrinos de saveur définie à la source devient un mélange des trois saveurs différentes au point de détection après avoir parcouru un certain trajet - 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 minuscules particules très spéciales !

Théoriquement, chacun des états propres de saveur de neutrinos peut être exprimé comme une combinaison linéaire des trois états propres de masse et vice-versa et le mélange peut être décrit par une matrice unitaire appelée matrice Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) (3,4 ,3). Cette matrice de mélange unitaire tridimensionnelle peut être paramétrée par trois angles de mélange et phases complexes. Parmi ces phases complexes, l'oscillation des neutrinos n'est sensible qu'à une seule phase, nommée??, et c'est la source unique de violation de CP dans le secteur des leptons. ???? peut prendre n'importe quelle valeur comprise entre -180° et 180°. Pendant que 𝛿??=0,±180° signifie que les neutrinos et les antineutrinos se comportent de manière identique et que CP est conservé, 𝛿??=±90° indique une violation maximale de CP dans le secteur des leptons du modèle standard. Toute valeur intermédiaire indique une violation de CP à différents degrés. D'où la mesure de?? 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 !

Expériences d'oscillation de neutrinos
Source : Wikipédia (réf. 5)

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 de plus de 90 % à 99.73 % (3𝜎) de confiance (6). Deux des angles de mélange sont grands pour expliquer les oscillations des neutrinos solaires et atmosphériques, le troisième angle (nommé 𝜃13) est petite, la valeur optimale étant d'environ 8.6°, et n'a été mesurée expérimentalement que récemment en 2011 par l'expérience à neutrinos du réacteur Daya-Bay en Chine. Dans la matrice PMNS, la phase 𝛿?? n'apparaît que dans la combinaison sin𝜃13𝑒±𝑖𝛿??, faire une mesure expérimentale de 𝛿?? difficile.

Le paramètre qui quantifie la quantité de violation de CP à la fois dans les secteurs des quarks et des neutrinos est appelé l'invariant de Jarlskog 𝐽?? (7), qui est fonction des angles de mélange et de la phase de violation de CP. Pour le secteur des quarks??~ 3 × 10-5 , tandis que pour le secteur des neutrinos 𝐽??~0.033 péché𝛿??, et peut donc être jusqu'à trois ordres de grandeur plus grand que 𝐽?? dans le secteur des quarks, en fonction de la valeur de??.

Résultat de T2K – un indice pour résoudre le mystère de l'asymétrie matière-antimatière

Dans l'expérience d'oscillation de neutrinos à longue base T2K (Tokai-to-Kamioka au Japon), des faisceaux de neutrinos ou d'antineutrinos sont générés au Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) et détectés au détecteur Water-Cerenkov à Super-Kamiokande, après avoir parcouru une distance de 295 km à travers la Terre. Étant donné que cet accélérateur peut produire des faisceaux de 𝜈𝜇 ou son antiparticule , et le détecteur peut détecter 𝜈𝜇,𝜈𝑒 et leurs antiparticules 𝜈̅𝜇, , ils ont les résultats de quatre processus d'oscillation différents et peuvent effectuer l'analyse pour obtenir des limites efficaces sur les paramètres d'oscillation. Cependant, la phase de violation de CP 𝛿?? n'apparaît que dans le processus lorsque 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 des leptons.

Dans une communication récente, la collaboration T2K a signalé des limites intéressantes sur la violation de CP dans le secteur des neutrinos, en analysant les données collectées en 2009 et 2018 (8). Ce nouveau résultat a exclu environ 42% de toutes les valeurs possibles de??. Plus important encore, le cas où CP est conservé a été exclu à 95% de confiance, et dans le même temps, une violation maximale de CP semble être préférée 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, asymétrie C et asymétrie baryonique de l'univers''. La physique soviétique Uspekhi, 1991, 34 (5), 392-393. EST CE QUE JE: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497

2. Bari Pasquale Di, 2012. Une introduction à la leptogenèse et aux propriétés des neutrinos. Physique Contemporaine Volume 53, 2012 – Numéro 4 Pages 315-338. EST CE QUE JE: 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 BETA INVERSE ET NON-CONSERVATION DE LA CHARGE LEPTON. 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. Charge inductive, 2007. Décomposition 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 de neutrinos, mélange et oscillations, Phys. Rév. D98, 030001 (2018) et mise à jour 2019. EST CE QUE JE: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001

7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog répond. Phys. Rév. Lett. 57, 2875. DOI : https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875

8. The T2K Collaboration, 2020. Contrainte sur la phase de violation de la symétrie matière-antimatière dans les oscillations de neutrinos. Nature volume 580, pages 339-344 (2020). Publication : 15 avril 2020. DOI : https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0

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Shamayita Ray PhD
Shamayita Ray PhD
Laboratoire de physique spatiale, VSSC, Trivandrum, Inde.

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