Les particules les plus étranges de l'univers

Aug 28, 2023

Les neutrinos sont bizarres et omniprésents et peuvent simplement enfreindre les règles de la physique

Ils sont petits, presque imperceptibles, et il y en a 500 billions qui vous traversent en ce moment. Les neutrinos sont parmi les créations les plus abondantes et mystérieuses de la nature. L'écrivain scientifique James Riordon a récemment entrepris d'énumérer ce qui était connu et ce qui était inconnu sur les neutrinos, et il a découvert que la deuxième colonne était plus longue. "Pour moi, la chose la plus intéressante est la façon dont nous en savons étonnamment peu à leur sujet", dit-il. "Ceux-ci sont définitivement ici et définitivement mystérieux. La science passionnante réside dans la réponse à ces questions."

Dans le nouveau livre Ghost Particle: In Search of the Elusive and Mysterious Neutrino (MIT Press, 2023), Riordon et son co-auteur, le physicien Alan Chodos, documentent comment les particules surprenantes ont été proposées et découvertes pour la première fois et ce que les scientifiques ont compris. loin, plus tout ce qu'ils espèrent éventuellement comprendre. En raison de leurs nombreuses bizarreries, les neutrinos semblent être des vecteurs prometteurs pour répondre à certaines de nos plus grandes questions : pourquoi l'univers est-il fait de matière et non d'antimatière ? Qu'est-ce que la matière noire ? Et est-ce que quelque chose peut voyager plus vite que la lumière ?

Scientific American a expliqué à Riordon pourquoi ces éléments bizarres de la nature sont si cool et comment sa propre histoire familiale s'inscrit dans l'histoire des neutrinos.

[Une transcription éditée de l'interview suit.]

Vous avez donc en fait un lien personnel avec les neutrinos. Qu'est-ce que c'est?

Je suis le petit-fils de l'un des co-découvreurs de neutrinos, Clyde Cowan, Jr. Mais il est décédé quand j'avais neuf ans. Il y a toujours eu une mythologie dans ma famille à son sujet, mais ce qu'il avait fait n'était pas vraiment clair. Ce n'était pas quelque chose que je comprenais jusqu'à ce que j'aille étudier la physique à l'université. Mon intérêt s'est accru lorsque je suis devenu écrivain scientifique et que j'ai commencé à voir ces résultats intéressants sur les neutrinos sortir.

J'ai parlé à MIT Press de faire un livre, et ils étaient intéressés, mais ils voulaient s'assurer qu'il y avait un expert dans le domaine qui écrivait avec moi. J'ai pensé à Alan Chodos, un théoricien qui sort des sentiers battus. Il a écrit des spéculations intéressantes sur les neutrinos qui sont un peu à la limite.

Parmi la myriade de questions posées par les neutrinos, laquelle vous intrigue le plus ?

Mon mystère préféré est de déterminer s'il s'agit ou non de sa propre antiparticule. Pour moi, je pense que c'est la question la plus importante et la plus dramatique sur les neutrinos. Celui-là touche à la très grande question de l'origine de l'univers.

Si un neutrino s'avère être sa propre antiparticule, cela pourrait nous permettre de comprendre pourquoi l'univers est composé principalement de matière et non d'antimatière. Nous savons que lorsque l'univers a commencé, il devait y avoir un équilibre parfait entre matière et antimatière. Il n'y aurait plus de matière si toute la matière et l'antimatière de l'univers venaient de s'annihiler. Un déséquilibre devait donc arriver quelque part, et les neutrinos pouvaient être un indice quant à la source de ce déséquilibre.

Vous écrivez : « L'idée même des neutrinos était une chose terrible, selon les mots de la première personne qui l'a imaginée. Wolfgang Pauli a proposé les neutrinos en 1930 pour expliquer pourquoi il semblait manquer d'énergie et de quantité de mouvement dans un certain type de désintégration de particules. Pourquoi la solution de neutrinos était-elle si terrible ?

Cela ressemblait presque à un tour de passe-passe. Ils avaient un problème de désintégration bêta, cette réaction nucléaire qui semblait manquer quelque chose. Donc, pour s'asseoir et dire : « Qu'est-ce qui manque ? Rassemblons simplement toutes ces choses qui manquent et rassemblons-les dans une nouvelle particule » pour répondre à la question, cela ressemble à une « histoire juste comme ça » - comme « Comment Leopard est-il devenu ses taches ? Eh bien, un ancien dieu lui a jeté de la boue. Bien sûr, c'est une réponse. Mais vous ne pouvez pas le vérifier. Cela résout votre problème, mais ce n'est pas satisfaisant.

Pauli a supposé qu'il ne pouvait pas vérifier la réponse parce que lui et d'autres physiciens pensaient que les neutrinos seraient complètement indétectables. Pourtant, nous en avons maintenant vu trois types différents. Et y a-t-il une chance qu'il y en ait encore plus ?

À Los Alamos [Laboratoire national du Nouveau-Mexique], ils ont découvert qu'il y avait trop de neutrinos dans l'une de leurs expériences. Une explication serait qu'il existe encore un autre type de neutrino qui n'interagit qu'avec d'autres neutrinos et peut-être avec une sorte de matière noire. C'est ce qu'on appelle les neutrinos stériles. Il y a des raisons de croire qu'il peut y avoir de nombreux types de neutrinos, mais ce n'est qu'une possibilité.

Les gens s'attendaient à ce que cette anomalie de Los Alamos disparaisse. Ils le testaient sur d'autres machines au [Fermi National Accelerator Laboratory dans l'Illinois]. Je me souviens d'avoir parlé aux gens de Los Alamos qui avaient d'abord trouvé ce qui semblait être des neutrinos stériles suggestifs, et ils s'attendaient tous à ce qu'il n'y ait absolument aucun signe de neutrinos stériles [du test de suivi]. Au lieu de cela, il a confirmé leur expérience initiale qui suggérait qu'il y avait des neutrinos stériles. C'était une confirmation étonnante de quelque chose que presque tout le monde supposait n'être qu'une erreur de mesure. La question est toujours clairement posée, et il y a des raisons de croire les deux côtés : qu'il y a une sorte d'erreur systématique à laquelle les deux sont sujets ou que la question est toujours en suspens. J'espère qu'on y répondra bientôt.

Un autre grand mystère est le poids réel des neutrinos. Au début, on prévoyait qu'ils étaient sans masse, mais maintenant les scientifiques savent qu'ils doivent avoir une masse non nulle. Où en sommes-nous pour déterminer quelle est cette masse ?

Une des choses dont il est vraiment amusant de parler à Alan est que KATRIN [une expérience allemande visant à mesurer la masse des neutrinos] ne dit pas que les neutrinos ont une petite masse positive. Il dit qu'ils ont une petite masse qui pourrait être une masse positive ou négative au carré. Cela signifie qu'ils pourraient avoir, sur la base de la façon dont ils font l'expérience, une masse imaginaire, ce qui en ferait des "neutrinos tachyoniques". Cela les ferait potentiellement voyager plus vite que la vitesse de la lumière ou potentiellement reculer dans le temps, selon la façon dont vous y réfléchissez.

Bien sûr, les gens de KATRIN ne croient pas que ce soit une possibilité, alors ils jettent ça. Mais il y a toujours ce léger espoir dans l'esprit de personnes comme Alan que peut-être la réponse sera en fait négative, même s'ils l'incluent juste pour s'assurer que leurs statistiques ne soient pas foirées.

Si les neutrinos pouvaient voyager plus vite que la lumière, ne le saurions-nous pas déjà ?

C'est vrai qu'il y aurait toutes sortes de problèmes. J'ai parlé au [physicien] Sheldon Glashow et je lui ai posé des questions à ce sujet. Il a souligné que si les neutrinos pouvaient voyager plus vite que la lumière, cela conduirait à une énorme explosion de rayonnement, et ils ralentiraient rapidement. Ainsi, même s'ils pouvaient momentanément voyager plus vite que la vitesse de la lumière, ils ne voyageraient pas instantanément plus vite que la lumière. J'ai tendance à croire à la réponse de Sheldon Glashow. Alan garde espoir parce qu'il est un théoricien et qu'ils aiment croire des trucs bizarres. Ce n'est pas quelque chose que quiconque, même Alan, s'attend sérieusement à voir.

Après avoir fait toutes ces recherches et écrit ce livre, cela a-t-il changé ce que vous pensez de votre grand-père ?

Ça faisait. J'ai trouvé qu'il y avait beaucoup d'humour dans ce que lui et Fred Reines [son collaborateur sur les expériences de découverte des neutrinos] ont fait. Ils ont eu l'audace d'encoder une petite blague dans la conception d'une formidable expérience scientifique.

Leur première idée de chercher des neutrinos était de profiter des essais d'armes nucléaires effectués pendant le projet Manhattan à Los Alamos, n'est-ce pas ?

Si vous regardez la proposition initiale, qui était en soi audacieuse, ils allaient mettre un détecteur dans un puits et le lâcher en même temps qu'une arme nucléaire exploserait à environ 40 mètres. C'était un système incroyablement compliqué à développer. Ils devaient décider où creuser le puits. Et ils ont choisi de le mettre à 137 pieds de la tour où l'arme allait exploser. Ils ont choisi cela parce que la constante de structure fine [une constante fondamentale liée à la force de la force électromagnétique] est de 1 ⁄ 137. Mais ils savaient que c'était un peu trop frivole pour le mettre dans la description de l'expérience pour approbation par Los Alamos, ils ont donc trouvé l'équivalent métrique, qui était d'environ 40 mètres. Ils en ont fait une blague intérieure.

Puis, quand ils ont eu l'expérience qui a réellement découvert le neutrino, en Caroline du Sud, ils ont mis en place tout ce blindage pour voir s'ils pouvaient moduler le signal et, avec le blindage, une livre de grains hominy. Je pense que j'ai idéalisé mon grand-père comme ce type drôle, et ça s'est étoffé. Vous pouvez voir ce sens de l'humour et ce sens de l'amusement qui sont passés par cette activité très sérieuse qu'ils faisaient.

Clara Moskowitz est rédactrice en chef chez Scientific American, où elle couvre l'espace et la physique. Crédit : Nick Higgins

Les rédacteurs

Rina Diane Caballar

Archon Fung, Lawrence Lessig et The Conversation US

Clara Moskowitz

Flora Lichtmann

Lauren J.Young