Hélicité
L'hélicité décrit la manière dont le moment cinétique propre d'une particule se situe par rapport à sa direction de déplacement. Chez le neutrino, elle est remarquable : tous les neutrinos observés sont gauches, tous les antineutrinos droits.
Aucune autre particule ne montre une telle unilatéralité.
L'image du tire-bouchon
Toute particule dotée d'un spin possède un axe de rotation. Si le spin pointe dans la direction du déplacement, la particule est dite droite ; s'il pointe à l'opposé, gauche.
Un tire-bouchon aide à comprendre : un filetage à droite avance lorsqu'on le tourne dans le sens des aiguilles d'une montre, un filetage à gauche recule. Sens de rotation et direction du mouvement sont couplés.
Chez les électrons, les deux possibilités se rencontrent à peu près aussi souvent. Chez le neutrino, manifestement pas.
Le chef-d'œuvre de Goldhaber
En 1958, Maurice Goldhaber, Lee Grodzins et Andrew Sunyar déterminèrent au Brookhaven National Laboratory l'hélicité du neutrino. Leur montage passe aujourd'hui encore pour l'une des expériences les plus élégantes de la physique nucléaire.
Le neutrino lui-même n'est pas mesurable. Ils mesurèrent donc autre chose.
Un noyau d'europium 152 excité capture un électron de la couche la plus interne. Il n'en naît alors que deux choses : un neutrino et un noyau de samarium excité, qui émet peu après un photon gamma. Comme rien d'autre n'apparaît, le moment cinétique et l'impulsion sont strictement répartis entre les deux.
Si le photon gamma part dans une direction, le neutrino doit être parti dans la direction opposée. Et le bilan du moment cinétique couple la polarisation de la lumière à l'hélicité du neutrino.
Le second tour de force fut la sélection. Seuls les photons gamma qui partent exactement à l'opposé du neutrino portent toute l'énergie et peuvent être diffusés de manière résonnante dans le samarium. On put ainsi filtrer, parmi tous les quanta émis, exactement la sorte recherchée.
La polarisation fut analysée dans du fer aimanté, où la lumière est absorbée plus ou moins fortement selon le sens de rotation.
Résultat : les neutrinos sont gauches. L'ensemble de l'expérience se contenta d'un appareillage de quelques mètres.
Le lien avec la parité
Cette unilatéralité est une propriété de la nature, non un hasard du montage.
Deux ans plus tôt, Chien-Shiung Wu avait montré que l'interaction faible distingue la gauche de la droite. Elle ne se couple qu'aux particules gauches et aux antiparticules droites.
Comme les neutrinos ne se manifestent que par cette force, les neutrinos droits n'apparaissent tout simplement pas dans le monde observable. Même s'ils existaient, ils seraient invisibles pour tout détecteur.
Pourquoi la masse complique tout
Tant que l'on tenait les neutrinos pour dépourvus de masse, le tableau était cohérent. Une particule sans masse se déplace à la vitesse de la lumière ; sa chiralité est la même pour tout observateur, parce que personne ne peut la dépasser.
Pour une particule dotée d'une masse, il en va autrement. Elle est plus lente que la lumière, et un observateur suffisamment rapide pourrait la dépasser. Vue de l'avant, la direction du déplacement s'inverse, mais non le spin — ce qui était gauche devient droit.
L'oscillation des neutrinos atteste la masse. Il doit donc exister des états droits. Simplement, ils n'interagissent manifestement presque pas.
Les deux issues
Dirac. Les neutrinos droits sont des particules à part entière qui ne participent à aucune force connue. S'ils sont très lourds, la voie mène au mécanisme de bascule.
Majorana. Neutrino et antineutrino sont la même particule sous deux formes d'apparition — ainsi le proposa Ettore Majorana en 1937.
Seule la double désintégration bêta sans neutrino pourrait trancher. Elle n'a pas été trouvée.
Termes apparentés
- Chien-Shiung Wu — la violation de la parité
- Interaction faible
- Désintégration bêta — la capture électronique dans l'expérience
- Ettore Majorana
Sources
- M. Goldhaber, L. Grodzins, A. W. Sunyar : Helicity of Neutrinos, Physical Review 109, 1015 (1958).