La vitesse de la lumière dans le vide (c = 299 792 458 m/s), une constante infranchissable ? Les récentes mesures expérimentales menées par des chercheurs du CNRS semblent indiquer que non ! Des particules élémentaires (1) appelées neutrinos auraient en effet violé la théorie d’Albert Einstein (2) en arrivant avec 20 mètres d’avance sur d’hypothétiques photons qui auraient parcouru la même distance. Mais que sont réellement ces neutrinos qui pourraient mettre à mal les fondements de la physique ? D’où proviennent-ils, comment les observer et les détecter ? Autant de questions auxquelles nous allons tenter de donner des réponses. Pour cela, faisons un voyage dans ce monde si vaste qu’est l’infiniment petit.

La description de la matière a de tout temps fasciné l’homme. La compréhension de notre monde est en effet un vaste sujet qui suscite encore à l’heure actuelle de nombreuses interrogations. La matière est formée d’entités microscopiques appelées atomes. Ces atomes sont eux-mêmes constitués d’un noyau autour duquel gravitent des électrons. Le lien les unissant au noyau provient de l’interaction électromagnétique. En effet, les charges électriques des électrons étant opposées à celle du noyau, l’attraction existante entre eux permet aux atomes de ne pas « perdre » leurs électrons. Mais ne nous égarons pas et revenons à notre progression vers le centre de l’atome. Le noyau est lui même composé de protons et de neutrons, plus communément désignés par le terme générique de nucléons, eux-mêmes formés de particules encore plus petites, les quarks. Puisque aucune sous-structure n’a été observée dans les électrons et les quarks, ils sont considérés comme des particules élémentaires… jusqu’à de plus amples informations !

Mais l’histoire des particules ne s’arrête pas là ! L’observation de centaines de particules composites, qui sont le regroupement de plusieurs particules, ont permis aux physiciens de découvrir l’existence d’autres particules élémentaires.

Finalement, les particules élémentaires peuvent être classées en trois grandes catégories : les quarks, les leptons (dont l’électron fait partie) et les bosons. Toutes les particules connues, toute la matière de l’Univers, des êtres vivants aux galaxies, sont composées de quarks et de leptons et les interactions existantes (3) entre ces deux catégories de particules agissent en échangeant des bosons. Nous pouvons ensuite distinguer différentes générations de leptons et de quarks : il existe six leptons (les trois premiers sont des leptons de charge électrique nulle : les neutrinos et les trois autres sont des leptons massifs et électriquement chargés : l’électron, le muon et le lepton tau) et six quarks.

A ce niveau, la complexité de tous ces éléments étant à son paroxysme, nous n’évoquerons maintenant plus qu’un seul type de lepton : le neutrino. Il signifie « petit neutre » en italien car il est le seul constituant fondamental de l’Univers à être dépourvu de charge électrique et sa masse est si petite qu’elle nous est encore inconnue à l’heure actuelle. C’est pour cela que cette particule suscite autant d’intérêt dans la communauté scientifique.

Le neutrino existe sous trois formes ou « saveurs » : le neutrino électron, le neutrino muon et le neutrino tau. Ils sont omniprésents dans la nature. Ces particules qui sans que nous le sachions nous traversent le corps à chaque instant (400 000 milliards de neutrinos par seconde) sont engendrées par des réactions nucléaires dans le Soleil, à l’intérieur de la Terre mais également par des cataclysmes lointains et extrêmement violents : trous noirs, supernovas (qui font d’ailleurs l’objet du Prix Nobel de Physique de 2011) et le Big-Bang. Cette particule est la seule à n’être soumise qu’à l’interaction nucléaire dite « faible », ce qui la rend particulièrement difficile à détecter. Pendant de nombreuses années, les physiciens se sont d’ailleurs demandé si le neutrino avait bel et bien une masse ! Depuis peu, ils savent que la réponse à cette interrogation est oui. Plusieurs expériences ont en effet démontré que les neutrinos pouvaient changer de saveur par un phénomène complexe appelé « oscillation de neutrinos » ne pouvant se produire que si cette particule est massive. Mais cette masse est encore inconnue et la déterminer pourrait contribuer à expliquer la mystérieuse matière noire de l’Univers (4). Pour observer un faisceau de neutrino, il faut donc utiliser une réaction où ces particules entrent en jeu par le biais de la force nucléaire faible, ce qui nécessite des installations complexes et coûteuses : les accélérateurs de particules tels que celui du CERN à Genève (le supersynchrotron à protons = SPS). Conçu pour produire des particules énergétiques, le SPS alimente le projet CNGS (CERN Neutrinos to Gan Sasso) visant à éclairer quelques uns des mystères entourant les neutrinos.

Voici donc les particules qui font tant parler la communauté scientifique aussi bien que les journalistes ces dernières semaines. Un faisceau de neutrinos, produit par l’accélérateur de particules du CERN à Genève (expérience CNGS/OPERA) et détecté 730 km plus loin dans le laboratoire sous terrain du Gran Sasso de l’INFN en Italie, a effectué ce trajet avec quelques dizaines de nanosecondes de moins que ne le ferait la lumière pour la même distance dans le vide. L’histoire commence tout d’abord en Suisse où les neutrinos sont créés en bombardant une cible de graphite par un faisceau de protons initialement conçus par le SPS. Cette collision donne alors la naissance à de nombreuses particules qui se désintègrent rapidement en muons et en neutrinos à l’intérieur d’un tunnel d’un kilomètre de long. Pour ne sélectionner que les neutrinos, un bloc composé de graphite et de fer d’une dizaine de mètres d’épaisseur est placé à la sortie de ce tunnel dit de « désintégration ». Les muons sont alors stoppés par cette « barrière » tandis que le pouvoir pénétrant des neutrinos leur permet de passer au travers. Leur voyage se poursuit ensuite jusqu’au Gran Sasso où des appareils complexes de détection permettent leur analyse ! Les mesures de vitesse ont été réalisées en ayant recours à des instruments très sophistiqués incluant des systèmes GPS les plus pointus et des horloges atomiques, pour une précision extrême.

Ce résultat est tellement surprenant et son impact sur la science est si important qu’il est nécessaire, avant de contredire la théorie d’Einstein, de faire de nouvelles expériences pour s’assurer qu’aucune erreur de mesures n’a été effectuée. Cette expérience a d’ailleurs été de nouveau réalisée très récemment confirmant la probable vitesse supraluminique des neutrinos.

Je terminerai cet article par une phrase énoncée par Etienne Klein, directeur de recherche du CEA : « Certes, la découverte qu’une particule pourrait aller plus vite que la vitesse de la lumière dans le vide serait la première observation contredisant la relativité restreinte d’Einstein qui fournit le cadre de l’espace-temps de la physique. Il faudrait donc, au minimum, la reformuler puisque le « c » d’E=mc² ne serait plus le « c » de la vitesse de la lumière mais celui d’une autre vitesse, supérieure ».

Affaire à suivre… Le neutrino n’a pas dit son dernier mot !

(1) Des particules sont dites élémentaires lorsqu’elles ne résultent pas de l’interaction d’autres particules plus « petites ». Elles sont alors insécables, c’est-à-dire qu’on ne peut pas les diviser.

(2) La théorie de la relativité a été énoncée en 1905 par Albert Einstein et relie énergie, masse et vitesse de la lumière dans le vide par l’équation : E=mc².

(3) Les forces de la Nature, également appelées interactions fondamentales, sont au nombre de 4 : l’interaction gravitationnelle, l’interaction électrique, l’interaction forte (qui assure la cohésion entre les noyaux) et l’interaction faible.

(4) Pour comprendre ce qu’est la matière noire, je vous conseille le site de  futura-sciences où le physicien Richard Tailler y consacre un dossier.

 Communiqués de presse concernant la probable vitesse supraluminique des neutrinos

http://www2.cnrs.fr/presse/communique/2289.htm&theme1=1

http://www.in2p3.fr/presse/communiques/2011/12_opera.htm

http://in2p3.fr/recherche/nouvelles_scientifiques/2011/16_opera.htm

 Pour en savoir plus sur l’expérience CNGS/OPERA

« Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam » - Article publié sur arxiv.org

Pour plus d’informations sur la physique des particules, je vous conseille le blog suivant : Science for everyone

Amélie