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Les neutrinos et la matière noire élusifs pourraient clarifier la domination de la matière sur l’antimatière

Pourquoi l’univers est-il rempli de matière et non pas d’antimatière? Un des mystères les plus fascinants de la cosmologie moderne fait l’objet d’une étude dans le cadre du projet InvisiblesPlus, le premier programme transnational européen qui étudie les particules éphémères et les masses «manquantes» de l’Univers.

Recherche fondamentale

Lee Modèle standard de la physique des particules qui a régné en maître sur le monde de la physique durant des décennies est remis en question par une liste croissante de phénomènes naturels qui ne semblent pas y correspondre. Les oscillations du neutrino, la matière noire et l’énergie, le déséquilibre entre la matière et l’antimatière suggèrent de nouveaux modèles de la physique, qui respectent davantage les phénomènes naturels. Le projet InvisiblesPlus financé par l’UE révèle des indices intéressants sur les identités et les propriétés cachées des neutrinos et des candidats de la matière noire, et répond à des questions concernant les symétries fondamentales de la nature.

Neutrinos, antineutrinos et asymétries cachées

Presque toutes les particules disposent de leur équivalent en antimatière: une particule de même masse mais de charge et de moment magnétique opposés. Mais les neutrinos ne possèdent pas de charge électrique, ce qui pourrait impliquer que les neutrinos et les antineutrinos ne forment qu’une seule et même entité. «L’absence d’antimatière dans notre univers visible pourrait s’expliquer si les neutrinos sont leurs propres antiparticules. Cette éventualité impliquerait l’existence de nouvelles particules, non observées jusqu’à présent. Nous avons montré que ces masses de particules peuvent être à la portée des expériences actuelles et futures, et avons conçu de nouvelles stratégies pour les rechercher. Notre nouvelle proposition implique que de nouvelles particules, détenant la clé de l’absence d’antimatière dans l’Univers, pourraient être découvertes prochainement», déclare Belen Gavela, la coordinatrice du projet InvisiblesPlus. Les oscillations des neutrinos, résultant tant de leur saveur (type) que de leur masse propres, impliquent que le neutrino présente une masse non nulle. Les analyses de données sur l’oscillation du neutrino suggèrent de nouvelles contraintes et des mesures plus fiables au niveau des valeurs des paramètres de mélange des neutrinos. Le projet InvisiblesPlus a également permis d’identifier de nouvelles limites sur la valeur absolue des masses du neutrino grâce à des analyses de données cosmologiques. Dans l’expérience T2K sur les neutrinos, les membres du projet ont rapporté des différences entre les oscillations de faisceaux de neutrinos et d’antineutrinos. Cette mesure de l’asymétrie de l’oscillation du couple neutrino-antineutrino pourrait rapprocher les scientifiques de l’explication de l’existence de notre Univers dominé par la matière.

Relier les mystères de l’antimatière et de la matière noire

L’absence surprenante d’antimatière primordiale dans l’Univers pourrait trouver son origine dans la matière noire. En plus des neutrinos (stériles), la matière noire pourrait être constituée d’axions. «La façon dont les axions interagissent avec la matière et l’antimatière pourrait fournir des indices importants sur la prépondérance de la matière sur l’antimatière», déclare Belen Gavela. Des études théoriques menées par des scientifiques du projet ont suggéré que les axions, candidats potentiels de la matière noire, sont des particules beaucoup plus lourdes que prévu. Pour réaliser l’expérience Axion Dark Matter (ADMX), l’équipe a appliqué les plus fortes contraintes existantes sur les axions, en excluant ceux qui appartenaient à une certaine gamme de masses comme de la matière noire. Ils ont également appliqué des contraintes plus fortes sur les propriétés de la matière noire lors de l’expérience XENON. «Il est extrêmement intéressant de constater qu’il existe une “synergie technique” entre les recherches de neutrinos et de matière noire. Par exemple, une technique expérimentale basée sur des éléments nobles (comme dans l’expérience XENON) peut servir à détecter directement la matière noire et à définir si les neutrinos sont leurs propres antiparticules» explique Belen Gavela. On ignore encore si les neutrinos acquièrent une masse par le biais du mécanisme de Higgs. Les particules élémentaires de la matière noire restent introuvables. Nous n’avons toujours aucune idée de l’origine de la masse et des valeurs de masse des neutrinos et de la matière noire. L’ensemble de la matière ordinaire, des neutrinos et de la matière noire doit peut-être être envisagé en bloc, comme un nouveau tableau périodique, pour comprendre l’origine de la masse», conclut Belen Gavela.

Mots‑clés

InvisiblesPlus, neutrino, matière noire, antimatière, masse, axion, antineutrino

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