Vova Krasen
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J'aime un bon mystère, qu'il s'avère que le majordome l'a fait, ou que ce soit le colonel Mustard dans la bibliothèque avec un chandelier.
Mais j'aime encore plus les mystères scientifiques.
Récemment, des scientifiques effectuant des recherches au Laboratoire national des accélérateurs Fermi, ou Fermilab, ont annoncé une mesure qui est un véritable casse-tête. Il s'agit d'une particule subatomique appelée neutrino, qui est le fantôme du microcosme, capable de traverser la Terre sans interagir. Et c'est AVANT de commencer à parler des trucs bizarres.
La mesure récente, réalisée par une collaboration de scientifiques appelée MiniBooNE, pourrait annoncer la découverte possible d'un nouveau type de neutrino qui pourrait éventuellement être la source de matière noire - l'une des énigmes les plus urgentes de l'astronomie moderne. Mais pour comprendre comment tout cela est lié, vous devez connaître l'histoire des neutrinos, qui est une histoire fascinante avec des rebondissements qui feraient tourner la tête d'Agatha Christie. [Les 18 plus grands mystères non résolus de la physique]
Le physicien autrichien Wolfgang Pauli a proposé pour la première fois l'existence de neutrinos en 1930. Nous savons maintenant que les neutrinos n'interagissent que par ce que l'on appelle sans imagination la «force faible», qui est la plus faible des forces ayant un impact sur des distances plus petites que les atomes. Les neutrinos sont créés dans les réactions nucléaires et dans les accélérateurs de particules.
En 1956, une équipe de physiciens dirigée par les Américains Clyde Cowan et Frederick Reines a observé pour la première fois les particules fantomatiques. Pour leur découverte, Reines a partagé le prix Nobel de physique 1995. (Cowan est décédé avant l'attribution du prix.)
Au fil des décennies, il est devenu clair qu'il existait trois types différents de neutrinos, maintenant appelés arômes. Chaque saveur neutrino est distincte, comme la glace napolitaine à la vanille, à la fraise et au chocolat de votre enfance. Les saveurs réelles des neutrinos proviennent de leur association avec d'autres particules subatomiques. Il y a le neutrino électronique, le neutrino muonique et le neutrino tau, qui sont respectivement liés à l'électron, au muon et au tau. L'électron est la particule familière de l'intérieur des atomes, et le muon et le tau sont les cousins plus potelés et instables de l'électron.
Chaque saveur de neutrino est distincte et jamais le twain (ou trois dans ce cas) ne se rencontrera. Ou alors il semblait.
Dans les années 1960 et 1970, un mystère est apparu… une énigme neutrino, pour ainsi dire. Les chercheurs américains Raymond Davis et John Bahcall ont tenté de calculer et de mesurer le taux de neutrinos (en particulier les neutrinos électroniques) produits dans le plus grand réacteur nucléaire autour: le soleil. Lorsque la prédiction et la mesure ont été comparées, ils n'étaient pas d'accord. L'expérimentateur Davis n'a trouvé qu'environ un tiers de plus de neutrinos électroniques que le théoricien Bahcall l'avait prédit.
Cette expérience particulière était incroyablement stupéfiante. Davis a utilisé un récipient de la taille d'une piscine olympique rempli de liquide de nettoyage à sec standard pour détecter les neutrinos. L'idée était que lorsque les neutrinos du soleil frappaient les atomes de chlore dans le liquide de nettoyage à sec, ces atomes se transformaient en argon. Davis attendrait quelques semaines, puis essaierait d'extraire l'argon. Il s'attendait à quelque chose comme 10 atomes d'argon, mais il n'en a trouvé que trois. Oui, vous avez bien lu ... seulement trois atomes.
En plus de la difficulté expérimentale, le calcul effectué par Bahcall était difficile et extrêmement sensible à la température centrale du soleil. Un petit, minuscule changement de la température du soleil a changé la prédiction du nombre de neutrinos qui devraient être produits.
D'autres expériences ont confirmé la divergence observée par Bahcall et Davis, mais étant donné la difficulté de ce qu'ils ont tenté de faire, j'étais à peu près sûr que l'un d'eux avait commis une erreur. Le calcul et la mesure étaient incroyablement difficiles à réaliser. Mais je me trompais.
Une autre divergence a dérouté les chercheurs. Les neutrinos sont produits dans l'atmosphère terrestre lorsque les rayons cosmiques de l'espace extra-atmosphérique claquent dans l'air que nous respirons tous. Les scientifiques savent avec une grande confiance que lorsque cela se produit, les neutrinos muons et électroniques sont produits dans un rapport de 2 à 1. Pourtant, lorsque ces neutrinos ont été mesurés, les neutrinos muons et électroniques ont été trouvés dans un rapport de 1 à 1. Encore une fois, les neutrinos ont confondu les physiciens.
Le mystère des neutrinos du soleil et des rayons cosmiques de l'espace a été résolu en 1998, lorsque des chercheurs japonais ont utilisé un énorme réservoir souterrain de 50000 tonnes d'eau pour étudier le rapport des neutrinos muons et électroniques créés dans l'atmosphère à 12 miles au-dessus du réservoir. , par rapport au même ratio créé de l'autre côté de la planète, soit à environ 8 000 milles de distance. En utilisant cette approche intelligente, ils ont découvert que les neutrinos changeaient d'identité au cours de leurs déplacements. Par exemple, dans l'énigme Davis-Bahcall, les neutrinos électroniques du soleil se transformaient en deux autres saveurs. [Images: Dans les meilleurs laboratoires de physique du monde]
Ce phénomène de changement de saveur des neutrinos, tout comme la vanille devenant fraise ou chocolat, est appelé oscillation des neutrinos. C'est parce que les neutrinos ne changent pas seulement leur identité et s'arrêtent. Au lieu de cela, s'ils disposent de suffisamment de temps, les trois types de neutrinos échangent constamment leur identité, encore et encore. L'explication de l'oscillation des neutrinos a été confirmée et clarifiée en 2001 par une expérience menée à Sudbury, Ontario.
Si vous avez trouvé cette histoire vertigineuse, nous ne faisons que commencer. Au fil des ans, les neutrinos ont généré plus de surprises qu'un feuilleton lors de la Sweeps Week.
Une fois le phénomène d'oscillation des neutrinos établi, les scientifiques pourraient l'étudier à l'aide d'accélérateurs de particules. Ils pourraient créer des faisceaux de neutrinos et caractériser la rapidité avec laquelle ils se transforment d'une saveur à une autre. En fait, il existe toute une industrie de neutrino-oscillation, avec des accélérateurs dans le monde entier qui étudient le phénomène. Le laboratoire phare pour les études sur les neutrinos est mon propre laboratoire Fermi.
Une quatrième saveur?
Une étude réalisée en 2001 au laboratoire de Los Alamos par une collaboration dénommée LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector) s'est démarquée. Leur mesure ne cadrait pas avec l'image acceptée de trois saveurs différentes de neutrinos. Pour que leurs résultats aient un sens, ils devaient émettre l'hypothèse d'un quatrième type de neutrino. Et ce n'était pas une sorte de neutrino ordinaire. On l'appelle un «neutrino stérile», ce qui signifie que, contrairement aux neutrinos ordinaires, il n'a pas ressenti la force faible. Mais il a participé à l'oscillation des neutrinos… le morphing des saveurs des neutrinos. Et c'était probablement lourd, ce qui signifie que c'était un candidat idéal pour la matière noire.
Ce serait donc une bonne observation, mais de nombreuses autres expériences sur les neutrinos n'étaient pas d'accord avec elles. En fait, le résultat du LSND était une valeur aberrante - si particulière qu'il n'était généralement pas utilisé dans les méta-analyses de la physique des neutrinos.
Et maintenant, nous arrivons à la mesure récente par l'expérience MiniBooNE au Fermilab. Le nom vient de «BOOster Neutrino Experiment». Il utilise l'un des accélérateurs du Laboratoire Fermi appelé Booster pour fabriquer des neutrinos. le “Mini” vient du fait que lors de sa construction, une expérience de suivi plus large a été envisagée.
Les scientifiques de MiniBooNE ont découvert que leurs données soutenaient en fait la mesure du LSND et, en outre, s'ils combinaient leurs données avec les données du LSND, la force statistique de la mesure est suffisamment forte pour revendiquer une découverte ... éventuellement de neutrinos stériles.
Mais ensuite, il y a le fait que de nombreuses autres expériences sont en désaccord tout à fait définitif avec l'expérience LSND (et maintenant MiniBooNE). Alors, qu'est-ce qui se passe avec ça?
Eh bien, comme on dit, c'est une bonne question. Il se peut que les chercheurs du LSND et de MiniBooNE aient simplement trouvé quelque chose que les autres expériences ont raté. Ou il se pourrait que LSND et MiniBooNE aient tous deux fait une fausse découverte. Ou il se pourrait que ces deux appareils expérimentaux particuliers soient sensibles d'une manière que les autres ne le sont pas. Un paramètre important est que la distance entre l'endroit où les neutrinos ont été créés et l'endroit où ils ont été détectés était relativement courte - quelques centaines de mètres seulement, ou la longueur des appareils sur plusieurs terrains de football. Les neutrinos mettent du temps à osciller et, s'ils se déplacent, cela se traduit par une distance. De nombreuses expériences d'oscillations de neutrinos ont des détecteurs situés à quelques ou plusieurs centaines de kilomètres. Peut-être que l'oscillation importante se produit rapidement, donc un détecteur proche est crucial.
Pour compliquer le problème, les collaborations LSND et MiniBooNE, même si elles sont séparées par plus d'une décennie, impliquaient certaines des mêmes personnes. Donc, il reste possible qu'ils répètent la même erreur. Ou peut-être exhibant le même éclat. C'est dur d'être sûr.
Alors, comment pouvons-nous résoudre cela? Comment savoir qui a raison? Eh bien, c'est de la science et, en science, la mesure et la réplication gagnent l'argument.
Et c'est une bonne nouvelle. Étant donné que le Laboratoire Fermi a choisi de développer sa capacité à étudier les neutrinos, non pas une, mais trois expériences de neutrinos différentes sont soit en cours, soit en cours de construction, avec de courtes distances entre le point de création et de détection des neutrinos. L'un s'appelle MicroBooNE (une version plus petite de MiniBooNE et avec une technologie différente), l'autre est ICARUS (Imaging Cosmic And Rare Underground Signals) et le troisième est SBN (Short Baseline Neutrino). Toutes ces expériences sont bien supérieures à MiniBooNE et au LSND en termes de capacités techniques, et les chercheurs espèrent donc qu'à une échelle de temps de quelques années, ils feront des déclarations définitives sur le sujet des neutrinos stériles..
Alors, quelle sera la réponse finale? Je ne sais pas - c'est le problème de la recherche… vous êtes complètement confus jusqu'à ce que vous le sachiez. Mais ce que je sais, c'est que c'est un mystère fascinant, avec plus que sa part de surprises et de pièges. Je suis presque sûr que même Sherlock Holmes serait perplexe.
Publié à l'origine le .
Don Lincoln a contribué cet article à Live Science's Voix d'experts: Op-Ed & Insights.