Effet MSW
L'effet MSW explique pourquoi les neutrinos se comportent autrement dans la matière que dans le vide. Il est la résolution du problème des neutrinos solaires et porte le nom de Mikheïev, Smirnov et Wolfenstein.
L'idée de base
Un neutrino qui traverse la matière rencontre sans cesse des électrons, des protons et des neutrons. Les interactions sont rares — mais même sans choc véritable, la particule ressent son environnement, un peu comme la lumière ralentit dans le verre sans perdre de photons individuels.
Ce qui est déterminant, c'est une inégalité de traitement. Les trois espèces de neutrinos peuvent diffuser sur la matière par l'intermédiaire du boson Z. Mais seul le neutrino électronique peut en outre interagir avec les électrons par l'intermédiaire du boson W — car pour lui seul il existe un partenaire adéquat dans la matière ordinaire.
Le neutrino électronique subit de ce fait un potentiel supplémentaire. Il se déplace pour ainsi dire dans un autre milieu que ses deux frères.
Lincoln Wolfenstein décrivit cet effet en 1978.
La résonance
Stanislav Mikheïev et Alexeï Smirnov montrèrent en 1985 qu'il en découle, dans une étoile, quelque chose de remarquable.
Dans le cœur du Soleil, la densité est énorme. Sur le chemin vers l'extérieur, elle diminue continûment jusqu'à ce que le neutrino sorte dans le vide. Quelque part sur ce chemin, il traverse une densité pour laquelle le potentiel supplémentaire compense exactement la différence de masse.
À cet endroit, le mélange devient maximal — la conversion d'une espèce en une autre s'y déroule le plus efficacement. Si le passage se fait assez lentement, le neutrino suit l'environnement qui change et quitte le Soleil majoritairement sous une autre espèce que celle sous laquelle il est né.
Pourquoi cela dépend de l'énergie
C'est ici que se situe le point par lequel l'effet a pu être démontré.
La densité de résonance dépend de l'énergie du neutrino. Les neutrinos de haute énergie trouvent leur résonance profondément dans le cœur du Soleil et sont fortement convertis. Les neutrinos de basse énergie n'atteignent même plus la densité adéquate — ils oscillent simplement comme dans le vide.
Il en découle une prédiction que l'on peut mesurer :
| Domaine d'énergie | survie attendue comme neutrino électronique |
|---|---|
| sous 1 MeV, par exemple les neutrinos pp | environ 55 pour cent, comportement de vide |
| au-dessus de 5 MeV, par exemple le bore 8 | environ 30 pour cent, domaine MSW |
C'est exactement ce motif qu'ont trouvé les expériences. L'expérience Homestake, avec son seuil élevé, en vit un tiers ; GALLEX et SAGE, avec un seuil bas, environ 60 pour cent. Borexino mesura plus tard le domaine de transition intermédiaire et confirma la courbe prédite.
Pourquoi c'est si convaincant
Une erreur de modèle concernant le Soleil aurait touché toutes les énergies de manière uniforme. Une simple oscillation dans le vide aurait elle aussi donné un autre motif.
L'effet MSW prédit la forme de la dépendance en énergie avant qu'elle ne soit mesurée — et elle s'est vérifiée. C'est la plus forte espèce de preuve que connaisse la physique.
Où il joue un rôle aujourd'hui
L'effet n'est depuis longtemps plus un cas particulier du Soleil, mais un outil.
La hiérarchie des masses. Lors de la traversée de la croûte terrestre, l'effet agit différemment selon laquelle des masses de neutrinos est la plus grande. DUNE exploite précisément cela sur son trajet de 1 300 kilomètres, de même que la partie ORCA de KM3NeT avec les neutrinos atmosphériques.
Les supernovae. Dans le cœur stellaire en effondrement règnent des densités pour lesquelles l'effet remodèle l'ensemble du spectre des neutrinos. Lors d'une future supernova, on pourrait en déduire les processus à l'œuvre à l'intérieur.
Termes associés
- Problème des neutrinos solaires — l'énigme résolue
- Oscillation des neutrinos — le processus dans le vide
- Neutrinos solaires — les particules concernées
- Sudbury Neutrino Observatory — la démonstration
Sources
- L. Wolfenstein : Neutrino oscillations in matter, Physical Review D 17, 2369 (1978).
- S. P. Mikheyev, A. Yu. Smirnov : Resonance amplification of oscillations in matter and spectroscopy of solar neutrinos, Soviet Journal of Nuclear Physics 42, 913 (1985).