À chaque seconde de votre vie, des milliards de particules appelées neutrinos traversent votre corps sans que vous vous en rendiez compte. Ne vous inquiétez pas, ces « particules fantômes » interagissent très rarement avec d'autres particules, y compris celles qui vous composent. Mais ces particules fantomatiques sont loin d'être effrayantes : elles sont essentielles pour aider les cosmologistes à comprendre la formation et l'évolution de notre univers.
Les neutrinos sont l'une des particules élémentaires présentes dans le modèle standard de la physique des particules. Bien que les chercheurs aient prédit l'existence des neutrinos dans les années 1930, ce n'est qu'en 1956 que deux physiciens, Clyde L. Cowan et Frederick Reines, ont détecté cette particule insaisissable dans un réacteur souterrain en Caroline du Sud, aux États-Unis. Le nom qu'ils ont donné à leur expérience ? « Projet Poltergeist ». Reines a reçu le prix Nobel de physique en 1995 pour cette découverte puisque Cowan est décédé en 1974.
Les neutrinos : des particules pleines de surprises étranges
Les neutrinos ont depuis pris l'habitude de défier les attentes des scientifiques. Dans les années 1970, le Modèle standard prédisait que les neutrinos étaient dépourvus de masse, à l'instar des photons. Mais nos particules fantômes ont de nouveau été à l'origine d'un prix Nobel en 2015, lorsque les chercheurs Takaaki Kajita et Arthur B. McDonald ont découvert que ces particules supposées dépourvues de masse en avaient en réalité une.
« Nous savons que les neutrinos ont une masse parce que nous observons qu'ils se mélangent les uns aux autres », explique Zach Weiner, chercheur postdoctoral en cosmologie à l'Institut Périmètre.
Il existe trois types différents de neutrinos, appelés « saveurs ». Au cours de leur trajet, ils peuvent passer d'une saveur à une autre. « Cela ne serait possible que s'ils se mélangeaient, et cela ne pourrait se produire que s'ils avaient une masse », explique M. Weiner.
Les neutrinos possédant une masse constituent une autre preuve que le Modèle standard, bien qu'il ait remarquablement réussi à prédire les caractéristiques de la physique des particules, est incomplet. Mais les neutrinos vont également à contre-courant dans le domaine de la cosmologie.
« Les neutrinos jouent un rôle dominant dans la cosmologie pour une grande partie de l'évolution de l'univers », explique M. Weiner.
Un univers de particules fantomatiques
Il existe deux prédictions importantes concernant les neutrinos en cosmologie qui se sont révélées exactes. La première, explique Weiner, concerne la façon dont, dans l'univers primitif, toutes les particules que nous connaissons se trouvaient dans un état de plasma dense à des températures très élevées. On prévoyait que les neutrinos contenaient environ 40 % de l'énergie totale de l'univers, ce qui a été confirmé par des recherches sur le fond cosmologique micro-ondes, un instantané de l'univers tel qu'il était il y a 300 000 ans.
La deuxième prédiction qui s'est avérée correcte est que les neutrinos n’ont pas eu de collision quelques secondes après la formation de l'univers. « Cette caractéristique confère aux neutrinos une signature dynamique clé qui leur permet d'influencer l'évolution des photons et des baryons par le biais de la gravité d'une manière distincte. »
Ces deux prédictions sont des éléments extrêmement importants du modèle cosmologique actuel de l'univers primitif, mais le neutrino a déjoué une troisième prédiction qui s'avère épineuse pour les cosmologistes.
La cosmologie a révélé que les neutrinos, tout comme les photons, étaient très relativistes à leurs débuts, ce qui signifie qu'ils se déplaçaient à une vitesse proche de celle de la lumière, explique M. Weiner. Cela n'a pas duré. Les neutrinos sont finalement devenus non relativistes et leur vitesse est devenue bien inférieure à celle de la lumière. Ce changement s'est produit bien avant notre époque, ce qui signifie que les neutrinos se sont comportés comme des composants de matière non relativistes pendant une grande partie de l'histoire récente de l'univers. Normalement, ce composant de la matière serait difficile à distinguer, explique M. Weiner. Mais les neutrinos, bien qu'ils ne se déplacent plus aussi vite qu'auparavant, se déplaçaient encore très rapidement par rapport aux autres matières.
« Le fait qu'ils se déplacent rapidement signifie que, tandis que la matière noire et la matière du Modèle standard se développent et s'agglutinent dans l'univers tardif, les neutrinos filent à toute vitesse à travers ces structures », explique M. Weiner.
Les cosmologistes prédisent que la densité plus faible des neutrinos résiste à la formation de grappes, ce qui ralentit la croissance des autres formes de matière. Comme les neutrinos ont une masse, on prévoit qu'ils auront une densité énergétique plus élevée dans les dernières phases de l'univers que s'ils étaient dépourvus de masse.
Mais la cosmologie n'a pas réussi à trouver de traces de ces deux effets. « Ce qui est étrange dans les mesures actuelles, c'est qu'elles suggèrent qu'il y a plus de structure que prévu et qu'en outre, au lieu d'avoir plus de matière que ce que nous attendrions d'après la masse des neutrinos, il y en a moins », explique M. Weiner.
Dans un article publié par Weiner en collaboration avec Marilena Loverde de l'université de Washington, les deux chercheurs ont exploré cette contradiction. « Il existe deux effets physiques, tous deux contraires aux attentes, et tous deux d'une importance comparable. »
« La raison pour laquelle cela m'intéresse est que la cosmologie ne parvient pas à trouver ces deux signatures », explique Weiner. « Cela nous indique qu'il y a quelque chose qui cloche soit dans nos mesures, soit dans la façon dont nous modélisons l'univers. C'est passionnant, car cela nous offre l'occasion de rechercher une nouvelle physique au-delà de ce que nous avons déjà découvert. »
Ainsi, la « particule fantôme » continue d'inspirer et de surprendre les physiciens. Il n'y a rien de surnaturel ici, juste l'une des particules fondamentales qui incite les chercheurs à approfondir leurs recherches sur la nature de l'univers.
À propos de l’IP
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