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Combler l’écart entre prévision et observation en physique des neutrinos

Les particules subatomiques appelées neutrinos se révèlent prometteuses dans la quête d’une physique renouvelée, allant au-delà du «modèle standard». En ce sens, le projet ENCORE s’est appuyé sur des expérimentations terrestres et des conclusions issues du domaine de la cosmologie afin d’en savoir plus sur les propriétés des neutrinos.

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Les neutrinos sont des particules insaisissables, en partie en raison de leur masse, bien plus faible que celle des autres particules élémentaires, mais également du fait qu’ils ne sont pas expliqués par ce qu’on appelle le «modèle standard de la physique des particules». De plus, leurs interactions avec la matière étant très faibles, ils peuvent passer à travers la Terre pratiquement sans être détectés. Il existe trois types de neutrinos connus: électronique, muonique et tauique. Mais des indices suggèrent qu’il en existerait un quatrième, qui est qualifié de «stérile», car il interagirait encore moins avec la matière. Par le biais d’expérimentations terrestres et d’enquêtes cosmologiques complémentaires, le projet ENCORE, entrepris dans le cadre des actions Marie Skłodowska-Curie, a mis au point des outils informatiques et des méthodes statistiques afin de définir des prévisions théoriques pour plusieurs phénomènes liés aux neutrinos. Ces prévisions ont ensuite été comparées aux résultats expérimentaux pour créer des modèles précis. «Même si ces outils étaient déjà connus et qu’ils sont relativement simples, il a été passionnant de les appliquer pour la première fois dans le cadre de la physique des neutrinos!», explique Stefano Gariazzo, qui est basé au centre commun de recherche de l’Institut de physique corpusculaire (IFIC). Ce centre est affilié au Conseil supérieur espagnol de la recherche scientifique (CSIC), qui a hébergé le projet, ainsi qu’à l’université de Valence.

Des réacteurs nucléaires à l’Univers primordial

Le projet ENCORE s’est appuyé sur les expérimentations terrestres pour s’attaquer à des problèmes liés au calcul théorique d’une anomalie de réacteur nucléaire. Les réacteurs nucléaires constituent d’excellentes sources de neutrinos, mais le nombre d’antineutrinos électroniques prévu ne correspond pas aux observations issues de nombreuses expérimentations. Pour que leur modèle corresponde au plus près à ces observations, l’équipe ENCORE a ajusté les valeurs des paramètres de ce dernier. «En fin de compte, nous ne sommes pas parvenus à une correspondance parfaite, et il y avait une différence de quelques pour cent. Toutefois, notre approche est importante pour mieux comprendre le comportement des réacteurs nucléaires et pourrait servir dans le cadre de leur surveillance, afin d’éviter le développement d’armes nucléaires», déclare Stefano Gariazzo, qui est basé à l’université de Valence. La connaissance du nombre de neutrinos produits par chaque isotope de réacteur permet aux contrôleurs de confirmer la composition d’un réacteur en mesurant les neutrinos sortants. Cela signifie qu’ils sont en mesure de détecter les modifications relatives au combustible, qui suggèreraient qu’une partie a été détournée pour alimenter des armes nucléaires. Bien que les plus anciennes informations concernant l’expansion de l’Univers, comme les données sur le rayonnement du fond diffus cosmologique, privilégient un modèle à trois neutrinos, l’équipe a eu recours à la cosmologie pour examiner la possibilité de l’existence d’un quatrième neutrino. Le projet ENCORE a produit les premières estimations complètes d’oscillations de neutrino dans l’Univers primordial, sur la base de quatre neutrinos. L’équipe a également effectué la première estimation de «formation d’agrégats de neutrinos fossiles», où les neutrinos cosmiques s’accumulent en raison du potentiel gravitationnel de grandes structures cosmologiques proches de la Terre. Les estimations précédentes tenaient uniquement compte de la Voie lactée, alors que le projet ENCORE a pris en compte les galaxies voisines et les groupes de galaxies proches. Cela a son importance, car le fait d’augmenter le volume de neutrinos détectables aide à réaliser une analyse poussée de ces insaisissables particules. «L’ensemble de ces résultats imposent des contraintes sur les paramètres qui décrivent les oscillations des différents types de neutrinos. Cela permettra aux futures études de déterminer s’il existe seulement trois ou davantage de neutrinos», ajoute Sergio Pastor, superviseur du projet à l’IFIC de Valence.

Une initiative à long terme

L’équipe travaille aujourd’hui sur un moyen d’utiliser les résultats du projet ENCORE dans le code PArthENoPE pour la nucléosynthèse primordiale, qui calcule la production de noyaux légers au cours des débuts de l’Univers. Les paramètres des modèles ENCORE seront régulièrement mis à jour, au fur et à mesure que de nouvelles données seront rendues publiques dans les années à venir. Les modèles s’appuieront sur les données de l’instrument DESI et du télescope Euclid dans le contexte cosmologique. Les données issues de l’observatoire JUNO, du télescope ORCA et de l’expérience STEREO fourniront des informations sur les neutrinos des réacteurs et leurs homologues atmosphériques.

Mots‑clés

ENCORE, neutrino, cosmologie, nucléaire, réacteur, subatomique, particule, physique, Terre, galaxie, Voie lactée, modèle standard

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