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Les neutrinos, ces particules fantomatiques qui traversent la matière sans presque interagir, pourraient détenir la clé de cette énigme. Leur étude précise permet d'explorer pourquoi la matière a survécu à l'antimatière lors des premiers instants cosmiques.
Intérieur du détecteur Super-Kamiokande.
Crédit: Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo
Pour la première fois, les expériences T2K au Japon et NOvA aux États-Unis ont uni leurs données. Elles produisent des faisceaux de neutrinos envoyés vers des détecteurs proches et lointains, sur des centaines de kilomètres. Cette méthode permet d'observer comment ces particules changent de type en voyageant, un phénomène appelé oscillation (voir ci-dessous).
Les résultats combinés, publiés dans Nature, offrent des mesures très précises de ce comportement. Ils aident à déterminer l'ordre des masses des neutrinos, c'est-à-dire quels types sont les plus légers. Cette information influence la possibilité d'une violation de symétrie entre matière et antimatière (explication en fin d'article).
Si les neutrinos et les antineutrinos se comportent différemment, cela pourrait expliquer le déséquilibre observé dans l'Univers. Malgré de très bonnes avancées, les données actuelles ne permettent pas encore de trancher significativement. Cette étude représente un effort mondial impliquant des centaines de chercheurs de nombreux pays.
Les expériences continuent à collecter des données pour affiner les analyses futures.
L'oscillation des neutrinos
Les neutrinos existent sous trois formes, ou saveurs: électronique, muonique et tauique. Au cours de leur déplacement, ils peuvent passer spontanément d'une saveur à une autre. Ce phénomène, nommé oscillation, dépend de leurs masses et des distances parcourues.
L'oscillation se produit parce que chaque saveur est un mélange de trois états de masse distincts. Ces états évoluent différemment dans l'espace, ce qui entraîne des changements périodiques de la saveur détectée. C'est un peu comme si une couleur basculait vers une autre en fonction du chemin suivi.
Les expériences comme T2K et NOvA mesurent ces oscillations en envoyant des faisceaux de neutrinos sur de longues distances. En comparant les saveurs au départ et à l'arrivée, les physiciens peuvent déduire des paramètres clés, tels que les différences de masse entre les états.
Cette compréhension est essentielle pour explorer des questions plus vastes, comme l'asymétrie entre matière et antimatière. L'oscillation des neutrinos représente ainsi une fenêtre sur des processus fondamentaux qui ont façonné l'Univers.
La symétrie CP et son rôle cosmique
La symétrie CP est un principe de la physique des particules qui postule que les lois devraient être identiques pour la matière et l'antimatière après inversion de la charge et de la parité. En d'autres termes, un processus et son image miroir avec des antiparticules devraient se produire avec la même probabilité.
Si cette symétrie est violée, cela signifie que matière et antimatière ne se comportent pas exactement de la même manière. De telles violations ont déjà été observées dans d'autres particules, mais elles sont trop faibles pour expliquer la prédominance de la matière dans l'Univers observable.
Les neutrinos offrent un terrain prometteur pour détecter une violation de symétrie CP plus significative. Si les oscillations des neutrinos et des antineutrinos diffèrent, cela indiquerait une asymétrie pouvant avoir influencé l'évolution cosmique précoce.
La recherche actuelle vise à mesurer précisément ces différences de comportement. Les résultats pourraient aider à comprendre pourquoi l'Univers contient aujourd'hui principalement de la matière, permettant l'existence des galaxies, des étoiles et de la vie.