Chaque seconde de chaque jour, vous êtes bombardé par des milliers de milliards de milliards de particules subatomiques, arrosant des profondeurs de l'espace. Ils vous traversent avec la force d'un ouragan cosmique, explosant à presque la vitesse de la lumière. Ils viennent de partout dans le ciel, à toute heure du jour et de la nuit. Ils pénètrent le champ magnétique terrestre et notre atmosphère protectrice comme autant de beurre.
Et pourtant, les cheveux sur le dessus de votre tête ne sont même pas ébouriffés.
Que se passe-t-il?
Petit neutre
Ces minuscules petites balles sont appelées neutrinos, terme inventé en 1934 par le brillant physicien Enrico Fermi. Le mot est vaguement italien pour «petit neutre», et leur existence a été supposée expliquer une réaction nucléaire très curieuse.
Parfois, les éléments semblent un peu… instables. Et s'ils sont laissés seuls trop longtemps, ils se désagrègent et se transforment en quelque chose d'autre, quelque chose d'un peu plus léger sur le tableau périodique. De plus, un petit électron sortait. Mais dans les années 1920, des observations minutieuses et détaillées de ces désintégrations ont révélé de minuscules et nettes différences. L'énergie totale au début du processus était un tout petit peu plus grande que l'énergie qui en sortait. Les calculs ne se sont pas additionnés. Impair.
Ainsi, quelques physiciens ont concocté une toute nouvelle particule en tissu entier. Quelque chose pour emporter l'énergie manquante. Quelque chose de petit, quelque chose de léger, quelque chose sans frais. Quelque chose qui pourrait passer inaperçu à travers leurs détecteurs.
Un peu neutre. Un neutrino.
Il a fallu encore quelques décennies pour confirmer leur existence - c'est ainsi qu'ils sont glissants et rusés et sournois. Mais en 1956, les neutrinos ont rejoint la famille grandissante de particules connues, mesurées et confirmées.
Et puis les choses sont devenues étranges.
Saveur préférée
Le problème a commencé à éclater avec la découverte du muon, qui s'est produite par coïncidence à peu près au même moment où l'idée de neutrino commençait à gagner du terrain: les années 1930. Le muon est presque exactement comme un électron. Même charge. Même rotation. Mais c'est différent d'une manière cruciale: il est plus lourd, plus de 200 fois plus massif que son frère, l'électron.
Les muons participent à leurs propres types de réactions, mais n'ont pas tendance à durer longtemps. En raison de leur volume impressionnant, ils sont très instables et se désintègrent rapidement en averses de bits plus petits ("rapidement" signifie ici en une microseconde ou deux).
C'est bien beau, alors pourquoi les muons font-ils partie de l'histoire des neutrinos?
Les physiciens ont remarqué que les réactions de désintégration qui suggéraient l'existence du neutrino faisaient toujours ressortir un électron et jamais un muon. Dans d'autres réactions, les muons sortaient et non les électrons. Pour expliquer ces résultats, ils ont estimé que les neutrinos correspondaient toujours aux électrons dans ces réactions de désintégration (et pas à tout autre type de neutrino), tandis que l'électron, le muon doit s'apparier avec un type de neutrino encore inconnu… Après tout, l'électron un neutrino respectueux de l'environnement ne pourrait pas expliquer les observations des événements muoniques.
Et donc la chasse a continué. Et sur. Et sur. Ce n'est qu'en 1962 que les physiciens ont finalement verrouillé le deuxième type de neutrino. Il a été à l'origine surnommé le "neutretto", mais des têtes plus rationnelles ont prévalu avec le schéma de l'appeler le muon-neutrino, car il s'est toujours associé en réaction avec le muon.
La voie du Tao
D'accord, donc deux neutrinos confirmés. La nature nous réservait-elle plus? En 1975, des chercheurs du Stanford Linear Accelerator Center ont courageusement parcouru des montagnes de données monotones pour révéler l'existence d'un frère encore plus lourd à l'électron agile et à un muon volumineux: le tau hulking, cadencé à une valeur énorme de 3500 fois la masse de l'électron . C'est une grosse particule!
Alors immédiatement la question est devenue: s'il y a une famille de trois particules, l'électron, le muon et le tau… pourrait-il y avoir un troisième neutrino, à associer à cette nouvelle créature?
Peut-être peut-être pas. Peut-être qu'il n'y a que les deux neutrinos. Peut-être qu'il y en a quatre. Peut-être 17. La nature n'a pas exactement répondu à nos attentes auparavant, donc aucune raison de commencer maintenant.
Ignorant de nombreux détails horribles, au cours des décennies, les physiciens se sont convaincus, à l'aide d'une variété d'expériences et d'observations, qu'un troisième neutrino devait exister. Mais ce n'est qu'à la fin du millénaire, en 2000, qu'une expérience spécialement conçue au Fermilab (appelée avec humour l'expérience DONUT, pour l'observation directe du NU Tau, et non, je ne l'invente pas) a finalement suffisamment d'observations confirmées pour prétendre à juste titre à une détection.
À la poursuite des fantômes
Alors, pourquoi nous soucions-nous tant des neutrinos? Pourquoi les poursuivons-nous depuis plus de 70 ans, depuis avant la Seconde Guerre mondiale jusqu'à l'ère moderne? Pourquoi des générations de scientifiques ont-elles été si fascinées par ces petites et neutres?
La raison en est que les neutrinos continuent de vivre en dehors de nos attentes. Pendant longtemps, nous n'étions même pas sûrs qu'ils existaient. Pendant longtemps, nous avons été convaincus qu'ils étaient complètement sans masse, jusqu'à ce que les expériences découvrent avec agacement qu'ils devaient avoir de la masse. Exactement «combien» reste un problème moderne. Et les neutrinos ont cette fâcheuse habitude de changer de caractère en voyage. C'est vrai, comme un neutrino voyage en vol, il peut changer de masque entre les trois saveurs.
Il pourrait même y avoir encore un neutrino supplémentaire qui ne participe à aucune interaction habituelle - quelque chose connu sous le nom de neutrino stérile, que les physiciens recherchent avidement.
En d'autres termes, les neutrinos défient continuellement tout ce que nous savons sur la physique. Et s'il y a une chose dont nous avons besoin, à la fois dans le passé et dans l'avenir, c'est un bon défi.
Paul M. Sutter est astrophysicien à Université d'État de l'Ohio, hôte de Demandez à un astronaute et Radio spatialeet auteur de Votre place dans l'univers.
