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Des guides sur le chemin de la mystérieuse « matière noire »

Mis à jour le jeudi 16 décembre 1999

« LES NEUTRINOS sont minuscules / Ils n'ont pas de charge, pas de masse / Et leur interaction est nulle. / Pour eux la Terre n'est qu'une bête bulle, / A travers elle, à l'aise, ils passent... »

Cette description de l'écrivain et poète américain John Updike est aujourd'hui un peu surannée. Car les neutrinos interagissent, même si c'est très peu. Et les flashes de lumière que produisent leurs rares collisions avec des atomes rendent possible leur détection dans de gigantesques détecteurs. Une seconde erreur d'Updike fut mise en évidence en 1998, quand une équipe internationale de physiciens montra, grâce à l'expérience japonaise de Superkamiokande, que les neutrinos avaient bien une masse.

Superkamiokande a pu abattre ces mythes grâce à sa capacité à détecter - et à différencier - les neutrinos-électrons et les neutrinos-muons. Les neutrinos qui le frappent étant produits par l'interaction des rayons cosmiques avec l'atmosphère, il était possible, par ailleurs, de prévoir la proportion relative des trois formes différentes qu'ils peuvent prendre. Or le détecteur japonais enregistra un déficit de neutrinos-muons par rapport aux calculs des théoriciens. Ce manque était plus évident pour les neutrinos qui avaient voyagé le plus longtemps, c'est-à-dire ceux produits aux antipodes plutôt que dans l'atmosphère au-dessus de l'appareil.

Les chercheurs en déduisirent qu'une partie des neutrinos-muon s'était transformée en cours de route pour prendre l'apparence du neutrino-tau indétectable (ou, éventuellement, d'une autre variété, encore inconnue, de cette particule). Plus le voyage des neutrinos était long, plus leur probabilité de mutation était importante. Les théoriciens, qui avaient prévu ce phénomène connu sous le nom d'oscillation, en furent rassurés. Or les conséquences de cette oscillation impliquent que les neutrinos, ou au moins l'un d'entre eux, aient une masse non nulle...

STRUCTURE INTIME

Ces résultats demandent à être confirmés. Les Russes et les Américains de l'expérience SAGE, installée à Baskan (Russie), ont annoncé au début du mois qu'ils n'étaient « pas encore en mesure de prouver définitivement le scénario de l'oscillation », bien que leurs résultats actuels soient en accord avec cette idée. Mais beaucoup d'autres chercheurs, comme John Bahcall (Institute of Advanced Study, Princeton), sont aujourd'hui convaincus.

Outre l'explication du problème des neutrinos solaires manquants, ces résultats intéressent les théoriciens qui travaillent sur la structure intime de la matière. Le modèle standard - leur meilleur scénario pour décrire cette dernière - reste muet sur la masse du neutrino. C'est l'une des raisons pour lesquelles il est considéré comme incomplet. D'autres modèles, en revanche, vont au-delà et prennent en compte ce paramètre. C'est le cas des théories relatives à la « grande unification » de trois des quatre forces de la nature. Une des variantes de ces théories unificatrices intègre la possibilité que les neutrinos oscillent et que leurs masses soient beaucoup plus petites que celles d'autres particules de la même famille : l'électron, du muon et du tau. Les découvertes des chercheurs de Superkamiokande pourraient la confirmer.

Hélas, ces résultats ne permettent d'évaluer que les différences de masse et non pas la masse elle-même. Les physiciens sont néanmoins certains qu'elle est faible. Reste que les neutrinos sont extrêmement nombreux. Des estimations très grossières montrent que le total de leur masse pourrait atteindre celle de toutes les étoiles, sinon plus. Cela a, logiquement, amené certains à penser que les neutrinos constituent une partie de la mystérieuse « matière noire froide » qui imprègne l'Univers. Une matière « invisible » dont l'existence pourrait expliquer les anomalies observées dans la distribution des étoiles et le déplacement des amas de galaxies.

Mais, si l'on en croit les données et les théories actuelles, les neutrinos ne peuvent représenter qu'une modeste part de cette masse manquante. Une autre explication a donc été avancée : la matière noire serait formée de particules plus massives que les neutrinos, mais partageant avec eux une tendance à éviter les interactions. Ces particules hypothétiques ont été baptisées Wimps (Weakly Interactives Massive Particles), acronyme qui, en français, se traduit par « mauviettes ». L'une des variantes théoriques de la « grande unification » prenant en compte une supposée propriété de la matière baptisée « supersymétrie » prédit, justement, l'existence d'une nouvelle forme de particule, le « neutralino », qui apparaît comme un excellent candidat.

Quoi qu'il en soit, neutralinos ou autres, ces « mauviettes » - si elles existent - se désintègrent régulièrement depuis leur apparition, lors du Big Bang. La théorie - décidément bonne fille - prévoit d'une part, que les Wimps émettent des neutrinos de haute énergie quand ils expirent et d'autre part, que certains d'entre eux ont dû être piégés à l'intérieur des étoiles, du Soleil et de la Terre. Conclusion : la détection d'un nombre anormalement élevé de neutrinos émanant du centre de la Terre ou du Soleil pourrait permettre de vérifier l'existence de ces fantomatiques « mauviettes ».

S'ils n'interviennent pas directement dans la constitution de la matière noire, les neutrinos pourraient ainsi nous servir de guides pour la découvrir...

Philip Ball



Le Monde daté du vendredi 17 décembre 1999


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