Les neutrinos et les particules de matière noire permettent de mieux comprendre l’Univers asymétrique
Le mystère demeure autour des neutrinos, qui figurent pourtant parmi les particules les plus abondantes de l’Univers. Ils sont si élusifs que leurs propriétés font encore l’objet d’études. Les premiers signes indiquant une différence de comportement des neutrinos lorsqu’ils sont remplacés par des antineutrinos, une forme de violation de la symétrie charge‑parité (CP), apportent de précieuses informations sur la prépondérance de la matière sur l’antimatière. Le secteur de la matière noire invisible pourrait également renfermer d’autres sources de violation de la symétrie CP. Des asymétries dans les champs de rotation des axions, d’hypothétiques particules suscitant un très fort engouement en tant que matière noire candidate prometteuse, sont actuellement envisagées comme potentielle explication à la raison pour laquelle l’Univers n’est pas vide. Financé par le programme Marie Skłodowska-Curie, ELUSIVES est un réseau de formation initial axé sur la phénoménologie des neutrinos et de la matière noire. L’une des principales avenues de recherche consistait à étudier le lien entre ces domaines, notamment lorsqu’il s’agit d’expliquer pourquoi une symétrie CP semble se produire dans certains cas mais pas dans d’autres. Ce réseau a réalisé des progrès significatifs, et a notamment produit plus de 280 publications scientifiques.
L’origine des mystères sur la masse des neutrinos et l’antimatière
L’expérience T2K menée au Japon a rapporté à ce jour le plus fort indice sur la violation de la symétrie CP par les faibles interactions des leptons. Les résultats indiquaient des différences entre les oscillations des neutrinos, à savoir comment les neutrinos muoniques se transforment en neutrinos électroniques et comment les antineutrinos muoniques se transforment en antineutrinos électroniques, à une confiance de 3σ. Des analyses détaillées des données sur l’oscillation des neutrinos ont permis aux chercheurs d’ELUSIVES de définir des contraintes très strictes sur les paramètres de mélange des neutrinos stériles. La masse extrêmement faible des neutrinos constitue une caractéristique frappante de ces derniers. Cela suggère que les neutrinos ne gagnent pas seulement de la masse à travers le champ de Higgs, comme c’est le cas pour la plupart des particules. Les scientifiques d’ELUSIVES ont étudié la possibilité que de nouveaux états de particules plus lourdes puissent être déterminants pour l’origine des masses des neutrinos. Ils ont suggéré que le Grand collisionneur de hadrons (LHC) et les autres à venir pourraient améliorer leur sensibilité en recherchant le signal puissant des désintégrations déplacées des médiateurs de masse des neutrinos. Une fois le problème hiérarchique de masse des neutrinos résolu, les scientifiques devraient se trouver en meilleure posture pour dénouer un autre mystère impérieux sur ces particules fantomatiques: les neutrinos sont‑ils leurs propres antiparticules? «Le fait de déterminer si les neutrinos sont des particules de Majorana aurait de profondes implications sur la physique des particules. Les scientifiques étudient cette possibilité par un processus dénommé double désintégration bêta sans neutrinos», fait remarquer Belen Gavela, professeure de physique théorique à l’Université autonome de Madrid et coordinatrice d’ELUSIVES. Les membres du projet travaillant sur les expériences GERDA, CUORE et NEXT recherchent respectivement une double désintégration bêta sans neutrinos dans le 76Ge, le 130Te et le 136Xe.
Les axions et les particules de type axion résolvent plusieurs mystères à la fois
L’expérience Axion Dark Matter a défini des contraintes extrêmement justes sur l’existence et les propriétés des axions. Les scientifiques d’ELUSIVES ont analysé si l’axion pouvait être beaucoup plus lourd que ce qui avait été envisagé auparavant; cela élargirait grandement le domaine expérimental au sein duquel il serait possible de résoudre le problème de la CP forte, voire de le rendre accessible au LHC ainsi qu’aux futurs collisionneurs. L’équipe a également évalué de manière approfondie la contribution des particules de type axion aux moments dipolaires des leptons et a examiné s’il existe un lien entre les axions et la théorie de la violation minimale de saveur. D’autres membres du projet ont proposé de nouveaux signaux d’ondes gravitationnelles de la matière noire de type axion. Dans le cadre de l’expérience XENON1T, les membres du projet ont contribué à fixer les limites les plus strictes pour les interactions de particules massives à faible interaction. ELUSIVES a produit de nombreux autres résultats sur les candidats de neutrinos et de matière noire susceptibles de permettre aux futurs scientifiques d’apporter des réponses aux questions sur les symétries fondamentales de la nature. Les résultats d’ELUSIVES contribuent à maintenir la position de chef de file et la compétitivité de l’Europe dans la recherche sur les neutrinos et la matière noire.
Mots‑clés
ELUSIVES, neutrino, axion, matière noire, antineutrino, symétrie CP, problème hiérarchique de masse, asymétries
