Les neutrinos sont des particules élémentaires principalement produites lors de la désintégration radioactive. On les appelle ainsi parce qu’ils ne portent aucune charge et sont donc électriquement neutres. Les neutrinos sont omniprésents, fluctuent en permanence autour de nous et pénètrent la Terre avec peu ou pas d’interaction. Ils se déplacent essentiellement à la vitesse de la lumière et ne sont pas déviés par les champs magnétiques. Toutes ces propriétés rendent la détection des neutrinos particulièrement difficile.
L’une des incertitudes entourant les neutrinos est de savoir s’ils possèdent une masse, bien qu’un phénomène appelé oscillation des neutrinos suggère qu’ils en aient une petite. Ces particules énigmatiques existent initialement sous trois saveurs (électron, muon et tau), et leur oscillation implique explicitement le passage d’une saveur à l’autre. Il est intéressant de noter que l’oscillation des neutrinos indique que ceux-ci ont une certaine masse, ce qui permet aux trois saveurs de neutrinos de se transformer les unes dans les autres, les rendant ainsi étroitement interdépendantes.
En plus de ces trois saveurs, les physiciens des particules ont prédit un état supplémentaire pour le neutrino. Cet état supplémentaire, appelé neutrino stérile, constitue la base de plusieurs nouvelles théories et modèles au sein du modèle standard de la physique des particules. Essentiellement, les neutrinos stériles appartiennent à la famille leptonique habituelle et obéissent aux statistiques de Fermi-Dirac, mais ce qui les rend particuliers, c’est qu’ils interagissent par gravitation, alors que les neutrinos ordinaires interagissent via la force électrofaible. En effet, le neutrino stérile doit son nom à son incapacité à interagir par l’interaction faible.
Cela fait des années que les physiciens recherchent des preuves empiriques de l’existence du neutrino stérile, mais en vain. Une collaboration expérimentale nommée STEREO (Search for Sterile Reactor Neutrino Oscillations) a été mise en place pour étudier l’anomalie observée dans le flux d’antineutrinos des réacteurs nucléaires, qui a finalement suscité des doutes quant à l’existence d’un état supplémentaire pour le neutrino, à savoir le neutrino stérile. Cependant, des mesures récentes de l’installation STEREO indiquent que la cause des anomalies dans le flux de neutrinos provenant des réacteurs est tout sauf le neutrino stérile [1, 2], ce qui soulève de sérieux doutes et peut-être même un coup fatal pour cette hypothèse.
Le test STEREO, projet de recherche de trois ans mené de 2017 à 2020, a permis de recueillir un ensemble de données d’environ 100 000 neutrinos, sans toutefois détecter de traces significatives de neutrinos stériles. Cependant, il a conduit à certaines découvertes intéressantes, comme la détermination du spectre des antineutrinos issus de la fission de l’uranium 235, qui constitue la mesure la plus précise à ce jour. Ainsi, bien que STEREO n’ait pas directement atteint cet objectif, l’expérience a ouvert de potentielles perspectives d’avenir pour la physique des réactions nucléaires.
La figure donne une estimation approximative du dispositif expérimental utilisé par la collaboration STEREO. Crédit : Nature
Points Clés :
Cette nouvelle, publiée dans Nature, une revue scientifique très réputée, devrait peut-être être officiellement considérée comme le coup de grâce porté à l’hypothèse des neutrinos stériles. Il n’est pas difficile de comprendre qu’il s’agit d’un énorme revers pour les physiciens des particules qui, depuis longtemps, publient de nombreux articles sur les interactions et propriétés des neutrinos stériles. Compte tenu de la situation actuelle, on peut seulement conclure que toutes les théories fondées sur les neutrinos stériles sont désormais erronées. Bien qu’une autre perspective, exprimée ailleurs, considère cette nouvelle mesure comme un soutien au modèle standard, il n’est pas tout à fait clair d’où cela provient exactement ni comment cela pourrait être réalisable si cet aspect avait quelque consistance.
En outre, les neutrinos stériles ont également été proposés comme candidats pour la matière noire dans de nombreuses publications de revues de physique de grande renommée [3, 4]. Il n’est pas surprenant qu’aucune preuve empirique significative n’ait été trouvée en faveur des neutrinos stériles, ni pour d’autres particules candidates avancées par les divers modèles proposés au fil des années. Compte tenu des résultats récents de STEREO, il est manifeste que les constituants de la matière noire ne sont certainement pas des neutrinos stériles. En fait, outre la collaboration STEREO, un certain nombre de sondes précédentes comme IceCube, MiniBooNe et sa filiale MicroBooNE n’ont pas réussi à détecter de preuves empiriques de neutrinos stériles, nous orientant ainsi vers leur possible éradication des cadres théoriques actuels, une fois pour toutes.
Références
[1] David Lhuillier, STEREO neutrino spectrum of 235U fission rejects sterile neutrino hypothesis, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-022-05568-2
[2] J. Cao, Nuclear reaction rules out sterile-neutrino hypothesis, Nature 613, 248-249 (2023). https://www.nature.com/articles/d41586-022-04581-9
[3] S. Dodelson and L. M. Widrow, Sterile neutrinos as dark matter, Phys. Rev. Lett. 72 (1994). DOI: 10.1103/PhysRevLett.72.17
[4] A. Boyarsky et al, Sterile neutrino Dark Matter, Progress in Particle and Nuclear Physics (2019). DOI: 10.1016/j.ppnp.2018.07.004
