Prix Nobel de physique 2015 – Plongée dans le monde des particules et de l’oscillation neutrino

Takaaki Kajita et Arthur B. Mac Donald viennent de recevoir le prix Nobel 2015 pour leurs confirmations expérimentales faites respectivement en 1998 et 2002 du phénomène de l’oscillation des neutrinos. Mais qu’est-ce que ce phénomène et en quoi est-il important pour la physique et la physique des particules ?

Immersion rapide dans le monde des particules élémentaires – un monde de création perpétuelle

La physique des particules, est la science des interactions fondamentales de la nature. Elle décrit la cacophonie incessante des réactions et transformations qui animent les particules élémentaires. Ces dernières sont à envisager surtout comme les éléments de matière les plus simples et les plus fondamentaux qui soient ; plutôt que – naïvement – de par leur petite taille.

Être matière c’est « être et changer » dans le monde physique et s’y manifester, c’est le mouvement, c’est le changement, c’est le réel qui se redessine constamment. Les particules ne cessent d’incarner de tels changements, omniprésents au gré des « interactions » qu’elles vivent les unes avec les autres.

Ici, interagir c’est donner, recevoir, distribuer – en somme échanger – de l’énergie, du mouvement et d’autres quantités… cela se traduit par l’acquisition ou la perte de vitesse, l’acquisition ou la perte de masse… Mais interagir c’est aussi être sensible à la présence de l’autre ou de soit même, vouloir le transformer et ce faisant se transformer ; c’est un principe créateur. L’interaction est créatrice car elle détruit un système ancien pour en créer un neuf.

Évidemment pour interagir il faut pouvoir être sensible à la présence de l’autre et/ou de soit même. La charge électrique permet cette sensibilité par exemple. Un électron chargé négativement sera sensible à la présence un positon chargé positivement et cela conduira possiblement à une interaction entre les deux, via la force qui s’exerce entre elles. Interaction qui donnera naissance un nouveau système dans lequel masse et énergie seront redistribuées, voire même plus : quand cette interaction conduit à la destruction/création de particules, la charge aussi peut être redistribuée.

Il faut également que le neuf préexiste déjà dans l’ancien car il n’y a pas de « génération spontanée », puisque nous ne sommes pas ici en présence de phénomènes magiques, mais bel et bien physique. Il y a des « règles ».

Comme il n’y a pas de « génération spontanée » certaines grandeurs ne peuvent être changées. C’est le cas de l’énergie d’un système et aussi de la charge électrique. On redistribue mais on ne génère pas de telles grandeurs. A titre d’exemple : on peut avoir au début un électron (énergie (A) ; charge (-1)) et un positon (énergie (B) ; charge (+1)) et à la sortie un duo de photons (énergie (A+ B) ; charge (-1+1 = 0)). Le système change – parfois radicalement – mais les grandeurs fondamentales sont conservées. Ainsi va la nature, qui « par nature » semble être l’ordre dans le chaos.

Diagramme dit de Feynman représentant l'interaction d'"annihilation" d'un électron avec un positon (son antiparticule) qui génèrent 2 photons. Source wikipédia : https://en.wikipedia.org/wiki/Electron%E2%80%93positron_annihilation#/media/File:Feynman_EP_Annihilation.svg

Diagramme dit de Feynman représentant l’interaction d' »annihilation » d’un électron avec un positon (son antiparticule) qui génèrent 2 photons. Source wikipédia : https://en.wikipedia.org/wiki/Electron%E2%80%93positron_annihilation#/media/File:Feynman_EP_Annihilation.svg

Qu’en est-il alors des neutrinos et de leurs oscillations ?

Les neutrinos sont des particules assez singulières sans pour autant qu’échappent à la règle de conservation de l’énergie et de la charge (et d’autres quantités que je ne mentionne pas ici). Pour situer rapidement ce qu’est le neutrino, on peu dire qu’au même titre que l’électron se manifeste, ou vit, essentiellement grâce et par la force électromagnétique (en effet, il possède une charge électrique), le neutrino lui est une manifestation caractéristique d’une force plus englobante. il s’agit de la force electro-faible (par opposition à la force forte qui concerne, elle, d’autres particules). Notons que la force électromagnétique est un sous-phénomène de la force électrofaible, ainsi et par exemple, il existe des interactions « courantes » à la suite desquelles un électron et un neutrino sont créés conjointement… c’est le cas lors de certaines désintégrations nucléaires.

Ce qui rend le neutrino si singulier est qu’il possède une masse extrêmement faible. Mais aussi et surtout, une fois créé, la bestiole interagit très peu avec la matière ordinaire, dont font partie les électrons et les protons par exemple. Enfin, et c’est l’objet de ce prix Nobel : ils ont la particularité de changer leurs « saveur » de façon spontanée, sans interaction avec un système (dans un processus qui constitue une interaction de la particule avec elle-même, chose qui n’est par forcément « rare » dans le monde des particules).

Pourquoi ce prix Nobel ?

La « saveur » est comme la charge : une grandeur qui permet de caractériser l’état d’un système mais, comme on peut le constater ici, la nature n’a pas imposée que cette grandeur soit conservée. Ce qui est intéressant avec le neutrino c’est que contrairement à ce que l’on observe chez les autres particules, celui-ci le fait « spontanément » et sans avoir besoin d’interagir avec d’autres protagonistes.

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Le détecteur Super-Kamiokande au Japon qui a effectué la première détection d’une oscillation neutrino, en 1998.

Le terme d’« oscillation » vient de ce que le neutrino a une probabilité d’effectuer cette opération qui évolue périodiquement, lui permettant d’alterner successivement et de façon potentiellement répétée entre différentes saveurs. Et s’il y a périodicité (répétition), c’est qu’à l’instar de toutes les particules, le neutrino est une onde qui se propage, et ce faisant il survient en son sein des processus répétitifs comme les vagues qui se brisent constamment sur le rivage.

L’oscillation neutrino est un phénomène important du point de vue de la science, car le fait d’observer ce phénomène implique que le neutrino ait une masse (même faible). Or ce n’était pas chose acquise auparavant, loin de là. En effet, le modèle le plus solide dont les physiciens disposent actuellement (le modèle standard de la physique des particules) prédit plutôt une masse nulle. C’est donc un prix Nobel mérité pour Takaaki Kajita et Arthur B. Mac Donald, même si d’autres découvertes dans les autres champs disciplinaires de la physique auraient aussi bien pu en faire l’objet tant les avancées sont nombreuses et multiples dans ce domaine, allant de l’information quantique à la matière noire. Pour mémoire, le prix Nobel 2014 de physique avait été décerné aux inventeurs de la LED bleue.

Des informations complémentaires sont accessibles sur le site du Huffington Post, notamment à propos des méthodes de mesures et les détails concernant les « saveurs » mises en jeu.

Anthony Teston – fiXience

Sources : wikipédia, Huffington Post,