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La physique des neutrinos récompensée par le prix Nobel de physique 2015

mis à jour le

C’est avec une grande satisfaction que les physiciens du LAPP impliqués dans les projets neutrinos ont appris que le prix Nobel de physique 2015 récompensait Takaaki Kajita (Japon) et Arthur B. McDonald (Canada) pour la découverte des oscillations neutrinos.

Cette découverte provient principalement de deux expériences : Super-Kamiokande au Japon, qui observait les neutrinos atmosphériques, et SNO au Canada qui observait les neutrinos solaires. Le communiqué officiel de l’Académie des Sciences Royale de Suède est accessible à : http://www.nobelprize.org/nobel_pri...

L’existence de ces oscillations a permis d’offrir la première preuve que les neutrinos sont des particules massives. Cela nécessite l’apport d’une extension au Modèle Standard de physique des particules qui se contentait jusque-là de neutrinos de masse nulle. Clairement ces mesures ont apporté une preuve unique de physique au-delà du modèle standard et ont ouvert la porte à de nombreuses pistes pour explorer ce nouveau domaine inconnu.

Le cadre théorique permettant de décrire ces oscillations est relativement bien établi. Depuis 15 ans de nombreux projets ont vu le jour pour le compléter et le contraindre de mieux en mieux. C’est ainsi que les 3 angles de mélanges et les 2 différences de masse qui régissent le phénomène d’oscillation à 3 saveurs ont été déterminés et la prédiction de l’apparition de neutrinos de saveurs différentes confirmée.
Parmi ces nombreux projets dans lesquelles des équipes françaises IN2P3 ont participé et se sont investis, le groupe du LAPP a contribué entre autres à la découverte de l’apparition de neutrino-tau dans le faisceau de neutrino-muon du CERN avec le détecteur OPERA dans le laboratoire souterrain du Gran Sasso en Italie. (LA CINQUIÈME TRANSFORMATION DES NEUTRINOS). Cette mesure publiée cette année a apporté la preuve du mécanisme sous-jacent au phénomène observé par Super-Kamiokande et récompensé par le prix Nobel 2015.

Malgré ces succès dans la compréhension des neutrinos il reste cependant des questions majeures :

  • Quelle est la masse du neutrino ?
  • Quelle est la nature réelle du neutrino ? (est-ce une particule identique à son antiparticule, donc de Majorana)
  • Quelle est la hiérarchie de masse (ordre des valeurs de masse des 3 états du neutrino) ?
  • Y’a-t-il violation de la symétrie CP dans le secteur des neutrinos ? (le comportement des neutrinos diffère-t-il de celui des antineutrinos)
  • Y’a-t-il plus de 3 neutrinos ? (existence de neutrinos stériles)

Des physiciens du LAPP sont impliqués dans des projets actuels et à venir qui abordent une partie de ces grandes questions du moment. Il s’agit par exemple de déterminer la nature du neutrino par la recherche de la double désintégration beta sans émission de neutrino (signature d’un neutrino de Majorana) avec l’expérience NEMO3 (prise de données terminée mais analyse en cours) et le démonstrateur de la génération suivante SuperNEMO (installation au LSM en 2016 et début de prise de données). Un autre volet de recherche du LAPP est de savoir s’il y a plus 3 types de neutrinos, en effectuant la recherche de neutrinos stériles auprès du réacteur de recherche de l’ILL avec le détecteur STEREO. Celui-ci sera installé en 2016 et démarrera immédiatement la prise des données. Une autre propriété importante est l’existence ou pas de violation CP dans le secteur des neutrinos.
La recherche de cette violation nécessite des expériences sur faisceau. Parmi les projets en discussion, le LAPP s’implique dès maintenant dans des développements de détecteur pour la réalisation d’un projet de faisceau neutrino de très longue distance. Celui-ci devrait voir le jour aux Etats Unis avec un faisceau partant de Fermilab vers des détecteurs géants d’argon liquide dans une mine à 1300 km de distance : l’expérience DUNE. Dans ce cadre, des groupes français dont le LAPP s’engagent à réaliser le démonstrateur au CERN (WA105 LBNO-DEMO) d’un type de détecteur qui pourrait être le choix technologique pour un ou plusieurs des modules de DUNE.

La portée des recherches pour répondre à ces différentes questions est très grande et de nombreuses surprises sont possibles dans les années à venir concernant cette thématique.

Contact : Dominique Duchesneau

En savoir plus : Nouvelles scientifiques de l’IN2P3