violation de la saveur leptonique

Les neutrinos sont de minuscules particules qui, chaque seconde, traversent nos corps par milliards sans toucher un seul atome. Ils possèdent une propriété mystérieuse : en chemin depuis le Soleil ou un accélérateur, ils peuvent changer de type, ou de « saveur » — par exemple, passer de neutrino électronique à neutrino muonique.

Des balances ultra-sensibles tentent de déceler la différence entre deux grains de sable presque identiques. L'un est le reflet parfait de l'autre, comme dans un miroir. Dans le monde des particules élémentaires, ce reflet miroir est appelé parité P, et sa violation est l'une des plus grandes énigmes de la physique.

Dans les tout premiers instants après le Big Bang, la matière et l'antimatière étaient présentes en proportions presque égales. Mais quelque chose a rompu l'équilibre, et il n'est finalement resté qu'un infime excès de particules ordinaires — celui-là même qui constitue les étoiles, les planètes et nous-mêmes.

L'Univers primordial ressemble à un chaudron bouillonnant où particules et antiparticules naissent et meurent en proportions égales. Mais aujourd'hui, tout autour de nous n'est que matière : étoiles, planètes, nous-mêmes. Comment un infime excès d'un milliardième a-t-il pu émerger de l'égalité initiale ?

Une étoile massive épuise son carburant – et son cœur s'effondre en une fraction de seconde. Une supernova naît, accompagnée d'une pluie de neutrinos brève mais intense. Ces particules interagissent à peine avec la matière, elles s'échappent donc librement, emportant l'information sur la catastrophe.

Une balance capable de peser l'invisible — c'est ainsi que fonctionne le rapport des désintégrations des mésons légers (pion et kaon) en électrons et en muons. Si la nature obéit aux mêmes règles pour toutes les générations de particules, les plateaux de cette balance affichent un nombre strictement défini. Mais si une force inconnue se cache quelque part, l'aiguille tremblera.

Les neutrinos ressemblent à des danseurs invisibles qui changent de masque en plein vol. Les trois types de ces particules – le neutrino électronique, le neutrino muonique et le neutrino tau – passent constamment de l'un à l'autre.

Lorsqu'une étoile géante s'effondre en supernova ou que deux étoiles à neutrons fusionnent dans une danse cosmique, des billions de neutrinos emportent l'énergie du cataclysme.

En 2021, l'observatoire LHAASO a détecté des rayons gamma d'énergie supérieure à l'électron-volt-péta provenant de sources comme la nébuleuse du Crabe — un reste d'explosion de supernova au centre duquel pulse une étoile à neutrons.

Au cœur d'une étoile à neutrons — le vestige d'une étoile explosée — la matière est si comprimée qu'une cuillère à café pèse des milliards de tonnes. Parmi cette matière hyperdense, une variété particulière de force pourrait agir, une qui ne concerne que les neutrinos muoniques et tauiques.

L'électron et le muon sont de minuscules aimants. Leur magnétisme est légèrement supérieur à deux (dans des unités spéciales), et cette « fraction excédentaire » (le moment magnétique anomal) naît de l'agitation constante du vide : des paires de particules apparaissent et disparaissent brièvement.

L'Univers ne se contente pas de s'étendre : il résonne. Après le Big Bang, des cordes tendues sont restées dans sa trame — fines comme un proton, mais lourdes comme une chaîne de montagnes.

D'un côté de la balance, toute la matière de l'Univers ; de l'autre, toute l'antimatière. Selon les lois de la physique, au moment de la naissance du monde, les plateaux auraient dû s'équilibrer. Mais nous voyons qu'un plateau l'emporte : autour de nous, il y a des étoiles, des planètes, des humains, et presque pas d'antimatière.

Dans les tout premiers instants après le Big Bang, la matière et l'antimatière auraient dû naître en quantités égales. Mais aujourd'hui, nous ne voyons que de la matière — les étoiles, les planètes, nous-mêmes. Où est passée l'antimatière ? Une des clés se cache dans des particules presque insaisissables : les neutrinos droits.

Un aimant avec un seul pôle — nord, mais sans sud. Coupez-le en deux : au lieu de deux aimants ordinaires, vous obtenez deux aimants monopôles identiques. Dans notre monde, de telles particules n'ont pas encore été trouvées, bien que de nombreuses théories prédisent leur existence. Ces objets hypothétiques sont appelés monopôles magnétiques.

Deux pendules presque identiques sont lancés simultanément. L'un s'amortit rapidement, l'autre oscille longtemps. À un moment donné, leurs mouvements se superposent — et dans le tableau d'ensemble apparaît un léger décalage, invisible séparément.

La vitesse de la lumière dans le vide est le métronome de la physique : elle donne le rythme à tous les processus. Qu'elle déraille, et l'harmonie habituelle s'effondre. Pour vérifier si ce rythme ne se dérègle pas dans des conditions extrêmes, on peut compter sur les neutrinos — des particules omniprésentes mais presque insaisissables venues du cosmos.

Lorsqu'une étoile massive meurt, son noyau s'effondre et un orage de neutrinos naît. Ces particules fantômes s'échappent et, en chemin, changent de saveur, comme un caméléon change de couleur. Cette danse des saveurs peut pousser l'explosion ou, au contraire, l'atténuer. Mais cette danse a un chorégraphe : les variations de densité de la matière.

Le lepton tau est un lourd cousin de l'électron, qui vit moins d'un billionième de seconde. D'habitude, il se désintègre en particules plus légères, mais jamais directement en trois muons : une telle transition est interdite par les lois connues de la physique des particules. Si elle se produisait, cela signifierait que des forces inconnues agissent dans la nature.

Dans le détecteur LHCb, comme dans une immense chambre contenant des milliards de « clichés », on capture des événements rares : la façon dont des particules à courte durée de vie, les mésons B, se désintègrent en particules plus légères.

Deux équipes de radiotélescopes ont pointé leurs antennes vers deux nuages de gaz : l'un au cœur même de la Voie lactée, l'autre dans ses paisibles confins. Dans les deux nuages se trouvent des molécules de méthanol — un alcool qui, dans l'espace, agit comme un minuscule pendule : il absorbe et émet des ondes radio à des fréquences très précises.

Le Soleil ne fait pas que briller : il émet en continu des flux de particules minuscules, les neutrinos. Ils naissent dans les réactions de fusion nucléaire au cœur et traversent l'étoile presque sans entrave.

Un modèle linguistique de protéines, c'est un peu comme un chef cuisinier qui aurait appris dans des milliers de recettes et qui compose maintenant de nouveaux plats. Parfois, il s'emballe et met du sel dans chaque plat, parce qu'un bon livre de recettes en contenait beaucoup.

Le muon est un lourd cousin de l'électron qui ne vit que deux millionièmes de seconde. Dans un champ magnétique, il tourne comme une toupie, mais un peu plus vite que ne le prédisent les formules.

Le cosmos est rempli de matière noire invisible, qui ne se trahit que par la gravitation. Son existence a été suspectée par Fritz Zwicky, puis confirmée par Vera Rubin.

Notre Soleil émet des flux de neutrinos — des particules qui interagissent à peine avec la matière. En traversant la matière dense du Soleil, ils changent de type — ce que les scientifiques appellent leur « saveur ». C'est comme une voix qui se modifie en traversant une foule : plus l'environnement est dense, plus la distorsion est forte.

Prédits par Wolfgang Pauli et nommés par Enrico Fermi, les neutrinos sont des particules quasi insaisissables. Au cœur des supernovas géantes et des fusions d'étoiles à neutrons, il s'en produit une quantité inimaginable. Chaque particule possède une saveur qui peut changer.

En 2016, le détecteur LHCb au Grand collisionneur de hadrons a enregistré des millions de collisions proton-proton. Parmi les débris de ces collisions naissaient des mésons B neutres, des particules qui peuvent spontanément se transformer en leurs antiparticules et vice versa.