Un prix Nobel pour les neutrinos

Le Soleil vu le 6 décembre par le satellite SDO. Crédit : Nasa/SDO/Ciel et Espace Photos

Le prix Nobel de physique 2015 a été décerné au Japonais Takaaki Kajita et au Canadien Arthur B. McDonald. Une récompense venant « pour leur découverte de l'oscillation des neutrinos, qui montre que les neutrinos ont une masse. »

Cette découverte, réalisée en deux temps grâce aux détecteurs Super-Kamiokande au Japon, en 1998, et Sudbury Neutrino Observatory (SNO) au Canada, en 2001-2002, aura montré d'une part que le Modèle standard de la physique des particules est incomplet, et mis fin d'autre part à une controverse de plus de trente ans à propos de la physique solaire.

Bataille autour du Soleil

Imaginé dans les années 1930 et découvert vingt-cinq ans plus tard, le neutrino est produit au cours de réactions nucléaires et a longtemps été considéré comme une particule de masse nulle. Trois variétés (ou « saveurs ») de ce « petit neutre » ont été découvertes entre 1956 et 2001 : les neutrinos électroniques, muoniques et tauiques.

La fusion nucléaire au cœur du Soleil produit énormément de neutrinos électroniques. Cependant, cette particule interagit très peu avec la matière et d'énormes cuves remplies de centaines de tonnes d'eau, comme Super-Kamiokande et le SNO, sont nécessaires pour espérer la détecter.

Le détecteur super-Kamiokande, au Japon. Crédit : Kamioka Observatory/ICRR/Tokyo University

Le détecteur Super-Kamiokande, au Japon. ©Kamioka Observatory/ICRR/Tokyo University.

Au cours des années 1980, il est apparu que le flux de neutrinos émis par le Soleil et reçu sur Terre ne valait que 30% de ce que prédisait la théorie de la physique solaire. Les astrophysiciens devaient-ils revoir leurs modèles ? Ou quelque chose clochait-il dans les mesures des physiciens des particules ?

Au tournant du XXIe siècle, il est devenu clair que les prédictions des physiciens solaires étaient parfaitement correctes. Le déficit de détections au niveau de la Terre devait être dû à une transformation des neutrinos électroniques en leurs alter ego muoniques et tauiques, pour lesquels les expériences au sol n'avaient pas été conçues.

C'est la confirmation de cette hypothèse grâce à Super-Kamiokande et au SNO qui vaut aujourd'hui le prix Nobel de physique à Takaaki Kajita et Arthur B. McDonald.

Une nouvelle physique est nécessaire

L'oscillation du neutrino entre ses trois « saveurs » implique que deux d'entre elles au moins possèdent une masse, ce que le Modèle standard de la physique des particules ne prévoit pas.

Elle invite donc les physiciens à chercher, au-delà de celui-ci, une « nouvelle physique ».

Une nouvelle physique que réclament d'ailleurs deux autres observations astronomiques : l'existence de la matière noire (dont les neutrinos pourraient d'ailleurs être une petite part) et l'expansion accélérée de l'Univers sous l'effet de l'énergie noire.

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