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Nouvelle scientifique

 

Paris, le 16 octobre 2015

 

Nobel de physique : la France en première ligne dans la recherche

sur les neutrinos

 

Le 6 octobre, le Japonais Takaaki Kajita et le Canadien Arthur B. McDonald se sont vus décerner le Prix Nobel de physique pour la découverte des oscillations de neutrinos. C'est la quatrième fois que le Nobel récompense les recherches sur le neutrino, cette particule élémentaire presque insaisissable qui mobilise les efforts de nombreuses équipes de recherche dans le monde. La France joue un rôle majeur dans ce domaine et participe à plusieurs collaborations internationales. Dans les laboratoires du CNRS et du CEA, environ 200 chercheurs et ingénieurs travaillent sur ce sujet. Tour d'horizon.


Le neutrino est une particule élémentaire particulièrement difficile à détecter – à tel point qu'elle s'est vue attribuer le surnom de "particule fantôme". En effet, sa charge électrique est nulle et sa masse très faible. Le neutrino interagit peu avec la matière et traverse la Terre par milliards à chaque seconde presque sans laisser de trace.


Etudier cette particule et ses caractéristiques est donc un défi à la fois scientifique et technique. Il faut des détecteurs extrêmement précis, des conditions expérimentales particulières et des moyens considérables. C'est pourquoi ces études se font en grande majorité dans le cadre de collaborations internationales.


En France, les recherches sur le neutrino sont menées par le CNRS et le CEA en partenariat avec plusieurs universités et écoles d'ingénieurs. Actuellement, près de 100 chercheurs et un nombre semblable d'ingénieurs et de techniciens, reconnus à l'international pour leurs compétences, participent à plusieurs expériences – qu'elles soient en phase de conception, de construction ou de prise de données.


L'oscillation des neutrinos et la hiérarchie des masses


Les neutrinos se déclinent en trois familles que les physiciens ont appelées "saveurs" (électronique, muonique et tauique) et ils peuvent passer d'une saveur à l'autre. Ce phénomène, appelé "oscillation", a été démontré pour la première fois par les Dr. Kajita et McDonald, grâce à des travaux menés de façon indépendante auprès des expériences Super-Kamiokande (avec des neutrinos atmosphériques, au Japon) et Solar Neutrino Observatory (SNO, avec des neutrinos solaires, au Canada). C'est cette découverte qui leur a valu le Prix Nobel de physique 2015.

 

Grâce à ces travaux, nous savons que – contrairement à ce que croyait une partie de la communauté scientifique jusque-là – les neutrinos ont une masse non nulle. Depuis une quinzaine d'années, d'autres expériences ont vu le jour pour compléter et contraindre de mieux en mieux le cadre théorique permettant de décrire ces oscillations. Par exemple, il est établi qu'il existe trois neutrinos de masses différentes expliquant les oscillations observées jusqu'à maintenant. Certaines de ces mesures ont pu être réalisées grâce à des projets comme Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus (OPERA), Tokai-to-Kamiokande (T2K), Chooz et Double Chooz ou Borexino dans lesquels des équipes françaises ont été très impliquées. Toutefois, nous ne connaissons pas encore la valeur absolue de ces masses.


Vue du détecteur OPERA dans le Hall C du Laboratoire souterrain du Gran Sasso en Italie.

©Dominique Duchesneau/LAPP/CNRS/Université Savoie Mont Blanc


En effet, les physiciens ne parviennent à déduire que des différences de masses (qu'ils appellent le "delta m"). Ils savent qu'il y a deux neutrinos légers de masses assez proches et un neutrino de masse plus lourde (la hiérarchie normale)… ou l'inverse : un léger et deux lourds (la hiérarchie inversée). Déterminer laquelle des deux hiérarchies est correcte représente actuellement l'un des grands enjeux des recherches sur les neutrinos. La France participe à deux projets majeurs dans ce domaine : le Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO), le plus gros détecteur de neutrinos à scintillateur liquide au monde, installé en Chine, et l'Oscillation Research with Cosmics in the Abyss (ORCA), un détecteur sous-marin dans la mer Méditerranée qui fait partie du programme Km3Net. Les deux projets sont actuellement en phase de développement et prévoient de démarrer leurs mesures à l'horizon 2020.


Antimatière et neutrino stérile : la quête se poursuit

 

Grâce aux neutrinos, on peut aussi tester un autre mystère de la nature : la domination de la matière sur l'antimatière au début de l'Univers. Alors que matière et anti-matière ont en théorie été créées en quantité identique au moment du Big Bang, seule la matière a survécu. Le neutrino, de charge électrique neutre, pourrait selon certaines théories être sa propre antiparticule, ce qui aiderait à éclaircir ce mystère. Dans le Laboratoire souterrain de Modane, l'expérience Neutrino Ettore Majorana Observatory (NEMO) a été conçue pour tester cette hypothèse. La collecte des données est désormais terminée et les équipes analysent à présent les résultats tout en assurant l'installation du démonstrateur de SuperNEMO, expérience qui prendra le relais à partir de 2016.

 

Un autre aspect important de la physique des neutrinos est l'existence ou non d'une violation de la symétrie CP dans le secteur des neutrinos. Cette dernière serait potentiellement aussi à l'origine de l'asymétrie matière-antimatière dans l'univers. La mise en évidence d'une violation de cette symétrie nécessite des expériences sur faisceau. Le projet T2K devrait apporter des informations importantes dans les années à venir. Mais pour une confirmation directe et une mesure de cette propriété il est nécessaire de réaliser un nouveau projet. Les équipes françaises s'y impliquent déjà avec le développement de détecteurs à argon liquide. Le détecteur lointain Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), qui doit être installé sur le futur faisceau de neutrino intense du Fermilab aux Etats-Unis, pourrait bénéficier de ce choix technologique.


Physiciens au travail sur une des TPC du détecteur proche de T2K.

©Marco Zito CEA/Irfu


Enfin, d’autres équipes recherchent activement un quatrième type de neutrino dit "stérile" qui serait plus lourd que ses cousins et qui pourrait expliquer certaines anomalies observées auprès des réacteurs et de sources radioactives intenses et dont l’existence aurait également un impact sur la cosmologie. Les projets comme Search for sterile netrinos (STEREO) auprès du réacteur de l’Institut Laue-Langevin à Grenoble et le détecteur SOLID auprès du réacteur BR2 du Centre d’étude de l’énergie nucléaire (CEN) à Mol en Belgique notamment, se concentrent sur la recherche de ces nouveaux neutrinos.

 

Pour en savoir plus (mise à jour : juillet 2016)



Les laboratoires français impliqués dans les recherches sur les neutrinos


  • Laboratoire astroparticules et cosmologie (APC, CNRS/Université Paris Diderot/CEA/Observatoire de Paris)
  • Centre d'études nucléaires de Bordeaux Gradignan (CENBG, CNRS/Université de Bordeaux)
  • Institut pluridisciplinaire Hubert Curien (IPHC, CNRS/Université de Strasbourg)
  • Institut de physique nucléaire de Lyon (IPNL, CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1)
  • Centre de physique des particules de Marseille (CPPM, CNRS/Aix-Marseille Université)
  • Centre de sciences nucléaires et de sciences de la matière (CSNSM, CNRS/Université Paris Sud)
  • Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'univers (Irfu, CEA-Saclay)
  • Institut de physique théorique (IPhT, CNRS/CEA)
  • Laboratoire de l'accélérateur linéaire (LAL, CNRS/Université Paris Sud)
  • Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de physique des particules (LAPP – CNRS/Université Savoie Mont Blanc)
  • Laboratoire Leprince-Ringuet (LLR, CNRS/École Polytechnique)
  • Laboratoire de physique corpusculaire de Caen (LPC Caen, CNRS/Ensicaen/Université Caen Basse-Normandie)
  • Laboratoire de physique corpusculaire de Clermont-Ferrand (LPC, CNRS/Université Blaise Pascal)
  • Laboratoire de physique nucléaire et de hautes énergies (LPNHE, CNRS/Université Pierre et Marie Curie/Université Paris Diderot)
  • Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (LPSC, CNRS/Université Joseph Fournier /Grenoble INP)
  • Laboratoire souterrain de Modane (LSM, CNRS/CEA)
  • Laboratoire de physique théorique (LPT, CNRS/Université Paris Sud)
  • Subatech (CNRS/Ecole des Mines de Nantes/Université de Nantes)

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