Les neutrinos stériles pourraient expliquer la matière noire – si nous pouvons trouver

Il y a de bonnes raisons de penser que les neutrinos ont un cousin timide qui pourrait expliquer la matière noire, mais les recherches sont jusqu’à présent restées vides, écrit Chanda Prescod Weinstein

Par Chanda Prescod Weinstein

Vous avez peut-être vu titres récents sur un « neutrino stérile » et été confus. Les lecteurs réguliers savent que je suis fan de neutrinos, en partie parce qu’ils ne sont pas trinaires : ils existent en trois saveurs et basculent aléatoirement entre eux pour des raisons que nous n’avons pas encore expliquées en détail. Les types de neutrinos dont j’ai déjà parlé dans cette chronique sont ceux que nous avons détectés : les neutrinos électroniques, les neutrinos muoniques et les neutrinos tau.

Ces trois saveurs sont particules fondamentales dans le modèle standard de la physique des particules, notre meilleure image de la matière et de ses interactions. Ils font partie de la famille des leptons avec les électrons, les muons et les taus. Comme leurs parents leptoniques, les neutrinos du modèle standard appartiennent à une classe de particules appelées fermions, définies par un sens de rotation quantique interne – le spin – qui est un multiple de moitié. Surtout, ces neutrinos interagissent avec d’autres particules par la gravité et la force nucléaire faible.

Les neutrinos stériles sont, comme on dit aux États-Unis, un tout nouveau jeu de balle. Contrairement aux neutrinos de modèle standard, nous ne savons pas s’ils sont réels. Et contrairement aux neutrinos que nous connaissons, ils semblent n’interagir qu’à travers la gravité. Cela semble ennuyeux, vous pourriez penser. Pourquoi s’embêter? Tout d’abord, tout le monde sait que j’aime un bon candidat matière noire. J’aime particulièrement celui qui, selon moi, devrait exister de toute façon, quel que soit notre problème de matière invisible et manquante. Les neutrinos stériles partagent deux de mes qualités préférées pour une particule hypothétique : ils sont bien motivés et il se trouve qu’ils sont d’intéressants candidats à la matière noire.

Nous pensons que les neutrinos stériles devraient exister grâce à une propriété des neutrinos de modèle standard : l’impartialité. Plus précisément, les neutrinos que nous connaissons sont des gauchers (et les antineutrinos antimatière sont tous des droitiers). Bien que je fasse référence à cela sous le nom de latéralité, cette propriété – formellement connue sous le nom de chiralité – n’est pas tout à fait comme tous les jours la vie parce qu’elle n’est pas classique. Comme le spin des particules, c’est une caractéristique quantique.

Chaque particule connue peut se présenter sous des formes à la fois gauchers et droitiers, à l’exception des neutrinos. Ils ne viennent que sous forme de particules gauchers. Naturellement, au fil des années, les physiciens se sont demandé s’il existait des neutrinos droitiers (et des antineutrinos gauchers).

Le neutrino stérile est ce neutrino droitier hypothétique. Il est nommé « stérile » car il n’interagit que par gravité. Bien que cette propriété rende les neutrinos stériles différents des autres neutrinos, ils ont une masse et ne sont pas chargés électriquement, tout comme les neutrinos de modèle standard. Cela signifie qu’ils pourraient être de la matière noire et, contrairement aux neutrinos du modèle standard, ils ont potentiellement masse suffisante pour expliquer la gravité apparente impact de la présence de matière noire.

« Détecter les neutrinos ordinaires est déjà assez difficile. Ce travail est encore plus compliqué avec des neutrinos stériles »

Ceux d’entre nous qui sont théoriciens ont le travail passionnant de comprendre comment l’idée que les neutrinos stériles pourraient être de la matière noire fonctionnerait mathématiquement. Les expérimentateurs ont la joie – et un défi incroyable – de sortir et de chercher des preuves physiques.

Une de ces recherches a récemment fait la une des journaux en trouvant un résultat nul : pas de neutrinos stériles. La détection des neutrinos ordinaires est déjà assez difficile. Ce travail est encore plus compliqué avec les neutrinos stériles, qui ne peuvent être «vus» qu’à travers leurs interactions avec les fluctuations quantiques de leurs homologues du modèle standard. Pour trouver des neutrinos stériles, il faut rechercher un type de comportement spécifique dans les neutrinos du quotidien.

L’expérience dont les résultats ont récemment annoncé, MicroBooNE, est située au Fermilab, non loin de Chicago. Il se compose d’un grand conteneur d’argon attaché à une ligne de lumière où les neutrinos sont produits par la collision de protons. Il est plus facile de suivre la trajectoire des événements de neutrinos dans l’argon, en raison de sa densité élevée et de sa sensibilité aux particules chargées produites lors des collisions.

La tâche principale de MicroBooNE est de mieux comprendre comment les neutrinos interagissent avec l’argon et d’essayer de reproduire les indices observés dans des expériences antérieures selon lesquels les neutrinos stériles sont réels. Deux expériences, MiniBooNE et LSND, ont vu un excès de neutrinos muoniques osciller en neutrinos électroniques sur des distances qui n’avaient pas de sens physiquement. Cette bizarrerie pourrait s’expliquer si les neutrinos muoniques devenaient d’abord des neutrinos stériles, avant de se transformer en neutrinos électroniques.

Malheureusement pour certains, l’équipe MicroBooNE a annoncé récemment qu’elle n’avait pas, jusqu’à présent, vu le même excès de neutrinos électroniques. Ceci est cohérent avec les données d’autres expériences, nous laissant avec tout un mystère. Pourquoi différentes expériences obtiennent-elles des résultats différents ? Nous ne savons pas.

Mais même si rien ne se présente une fois que nous aurons exploré chaque endroit où cette particule hypothétique pourrait se cacher, cela aura toujours de la valeur. Si les neutrinos stériles s’avèrent n’être que le fruit de l’imagination du théoricien des particules, nous saurons qu’il est temps de passer à autre chose.