Mise en évidence d’une oscillation d’un nouveau genre

Le modèle standard de la physique des particules reconnaît trois saveurs de neutrinos: les neutrinos tau, les neutrinos muons et les neutrinos électrons. Les neutrinos sont très difficiles à mettre en évidence du fait qu’ils ne possèdent aucune masse et n’ont aucune interaction avec la matière. Dans le cadre de ses travaux de recherche sur les neutrinos, la collaboration T2K, qui travaille au Japon, a conçu des détecteurs spéciaux. Elle a réussi grâce à eux à mettre en évidence une nouvelle oscillation de neutrinos: les neutrinos muons peuvent se transformer en neutrinos électrons.

En 2011, la collaboration T2K avait déjà observé pour la première fois, avec une forte probabilité, la transformation de neutrinos muons en neutrinos électrons. Elle avait alors poursuivi ses mesures sur le détecteur de particules «Super-Kamiokande», et est capable aujourd’hui de confirmer cette transformation en s’appuyant sur une quantité de données trois fois et demie plus importante qu’à l’époque. Les mesures qui mettent en évidence le surplus de neutrinos électrons excluent la coïncidence statistique avec une probabilité supérieure à un sur un billion. En conséquence, l’intervalle de confiance se situe autour d’un écart standard de 7,5 sigmas. Pour pouvoir parler de découverte ou de preuve, une valeur de 5 sigmas est généralement nécessaire en physique des particules.

L’observation faite par la collaboration T2K est la première à montrer que le type de neutrinos que l’on trouve au point de détection est différent de celui que l’on trouve au point d’origine. L’analyse des données recueillies sur le détecteur montre également que plus de six fois plus de neutrinos électrons que ce qui est attendu apparaissent en raison du phénomène découvert.

Première preuve en 1998

Les neutrinos ont longtemps été considérés comme immuables, avant que leur mutation d’une forme en une autre ne soit mise en évidence: on appelle ce phénomène oscillation du neutrino. C’est en 1998 que la transformation d’un neutrino muon en un neutrino tau a été attestée sur la base de la disparition d’une des deux sortes.

Le physicien Bruno Pontecorvo avait formulé la théorie de l’existence de l’oscillation du neutrino sur la base des processus de mécanique quantique en 1957. L’oscillation du neutrino est une propriété importante des particules qui peut être utilisée pour déterminer leur masse. Un rayon de neutrinos muons permettant d’observer cette particule élémentaire est généré au Japan Proton Accelerator Research Complex (J-Parc) de Tokai, sur la côte est du Japon. Le rayon est surveillé à l’aide d’un complexe de détecteurs, et dirigé vers Kamioka, située à 295 kilomètres. Le détecteur souterrain Super-Kamiokande reçoit en fin de trajet des traces extrêmement faibles et furtives des neutrinos.