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Brève scientifique | La collaboration OPERA présente ses derniers résultats sur les oscillations de neutrinos

Dernière mise à jour : jeudi 24 mai 2018, par Nicolas Busser

Genève, le 22 mai 2018. L’expérience OPERA, située au Laboratoire du Gran Sasso de l’Institut national italien de physique nucléaire (INFN), a été conçue pour prouver de manière concluante que les neutrinos muoniques peuvent se convertir en neutrinos tauiques. La découverte de ce processus appelé oscillation, a été récompensée en 2015 par le prix Nobel de physique. Dans un article publié aujourd’hui dans la revue Physical Review Letters, la collaboration OPERA présente les résultats finaux de l’expérience, faisant état de l’observation d’un total de 10 événements candidats à la conversion d’un neutrino muonique en un neutrino tauique. Ce résultat démontre sans ambiguïté que les neutrinos muoniques oscillent en neutrinos tauiques durant leur voyage depuis le CERN, où les neutrinos muoniques ont été produits, jusqu’au Laboratoire du Gran Sasso à 730 km de distance, où OPERA a détecté les 10 neutrinos tauiques candidats.

La collaboration OPERA a également mis aujourd’hui ses données en accès libre sur le portail des données ouvertes du CERN. Les chercheurs extérieurs à la collaboration OPERA ont ainsi désormais la possibilité de travailler sur ces données. Les ensembles de données fournis sont assortis de riches informations contextuelles, facilitant également leur interprétation à des fins pédagogiques. En outre, un dispositif de visualisation permet de voir les différents événements et de les télécharger. C’est la première fois que des données ne concernant pas le LHC sont publiées sur le portail des données ouvertes du CERN, mis en place en 2014.

Il existe dans la nature trois types de neutrinos : le neutrino électronique, le neutrino muonique et le neutrino tauique. Ils se distinguent par le fait que, lorsqu’ils interagissent avec la matière, ils produisent le plus souvent l’un des trois leptons chargés dont ils tirent leur nom : l’électron, le muon ou le tau. Ce sont ces leptons qui sont observés par les détecteurs, tels que celui d’OPERA, le seul capable de les observer tous les trois. Des expériences menées à la fin du siècle dernier ont montré que les neutrinos muoniques, après avoir parcouru de longues distances, étaient en nombre moins élevé que ne le prédisait la théorie. Cela laissait penser que les neutrinos muoniques oscillent, se transformant en d’autres types de neutrinos. Puisque les électrons détectés étaient aussi nombreux que prévu, les physiciens ont présumé que les neutrinos muoniques se transforment essentiellement en neutrinos tauiques. Ce fait a maintenant été clairement confirmé par la collaboration OPERA, grâce à l’observation directe de neutrinos tauiques apparus à une distance de 730 km de la source de neutrinos muoniques. Cette confirmation sur la façon d’osciller des neutrinos permet de mieux comprendre certaines des propriétés de ces particules mystérieuses, comme leur masse.

La collaboration OPERA avait observé le premier événement tau (preuve de l’oscillation du neutrino muonique) en 2010 ; quatre autres événements ont ensuite été rapportés sur la période 2012-2015, date à laquelle la découverte de l’apparition du neutrino tauique a été évaluée pour la première fois. Grâce à une nouvelle méthode d’analyse appliquée à l’échantillon complet de données recueillies entre 2008 et 2012 - la période de production des neutrinos - un total de dix événements candidats ont maintenant été identifiés, avec un niveau extrêmement élevé de signification statistique.

« Nous avons tout analysé avec une méthode entièrement nouvelle, prenant en compte les caractéristiques particulières des événements, explique Giovanni De Lellis, porte-parole de la collaboration OPERA. Nous rapportons également la première observation directe du nombre leptonique du neutrino tauique, c’est-à-dire du paramètre permettant de distinguer les neutrinos des antineutrinos. Il est extrêmement gratifiant de voir aujourd’hui que nos résultats dépassent largement le niveau de confiance que nous avions envisagé dans la proposition de l’expérience. »

Au-delà de cette contribution à la connaissance du comportement des neutrinos, l’expérience OPERA a également permis le développement de nouvelles technologies. La collaboration a en effet été la première à utiliser à grande échelle les films d’émulsion nucléaire pour enregistrer les traces des particules à l’aide de technologies haut débit entièrement automatisées, avec une précision submicrométrique. Cette technologie trouve des applications dans de nombreux autres domaines scientifiques, notamment la recherche sur la matière noire et l’étude des volcans et des glaciers. Elle est également employée pour optimiser la thérapie hadronique pour le traitement du cancer et a récemment été utilisée pour cartographier l’intérieur de la pyramide de Khéops, l’un des plus grands et plus anciens monuments sur Terre.