Mécanisme de bascule (seesaw)

Le mécanisme de bascule (seesaw) — en allemand Wippen-Mechanismus — est la tentative d'explication la plus connue du fait que les neutrinos possèdent bien une masse, mais une masse inconcevablement petite.

L'énigme

KATRIN a repoussé la masse par le haut sous 0,45 électronvolt ; les écarts d'oscillation fournissent une limite inférieure d'environ 0,05.

À titre de comparaison : l'électron pèse 511 000 électronvolts. Un neutrino est donc au moins un million de fois plus léger, vraisemblablement bien davantage.

Toutes les autres masses du modèle standard se situent à quelques ordres de grandeur les unes des autres. Les neutrinos sortent du cadre si largement qu'un simple hasard comme explication ne satisfait personne.

L'idée de la bascule

Le mécanisme suppose qu'à côté des neutrinos connus, gauchers, il en existe aussi de droitiers. Qu'ils doivent exister découle déjà de la masse — la page sur l'hélicité explique pourquoi.

Ces partenaires ne participeraient à aucune force connue et seraient donc encore plus discrets que les neutrinos ordinaires.

Ce qui est déterminant, c'est la seconde hypothèse : ils sont très lourds. Aucun principe connu ne limite leur masse par le haut. Elle pourrait se situer à 10¹⁴ gigaélectronvolts — près de cette échelle à laquelle les forces de la nature pourraient être unifiées.

Les mathématiques du mélange des masses conduisent alors à un rapport simple :

m_léger ≈ m_D² / M_lourd

Ici, m_D est une masse ordinaire de l'ordre de grandeur des autres particules et M_lourd la grande masse du partenaire droitier.

L'image de la bascule s'impose d'elle-même : plus un côté est lourd, plus l'autre est léger. La petitesse de la masse du neutrino ne serait pas un hasard, mais l'ombre de quelque chose de très lourd.

Pourquoi le calcul convainc

Si l'on introduit pour m_D une masse de l'ordre de grandeur du quark top et pour M_lourd l'échelle d'unification, on obtient des masses de neutrinos de l'ordre du centième d'électronvolt — exactement le domaine que suggèrent les mesures d'oscillation.

Qu'une formule aussi simple donne le bon ordre de grandeur sans qu'il faille forcer des paramètres passe pour un argument fort. L'idée est née à la fin des années 1970 indépendamment dans plusieurs groupes, notamment auprès de Peter Minkowski.

Le lien avec la matière dans l'Univers

Le mécanisme a une seconde conséquence, de plus grande portée.

Les lourds neutrinos droitiers seraient des particules de Majorana — leur propre antiparticule. Dans l'Univers primitif, ils auraient été présents en grand nombre et se seraient désintégrés. Si ces désintégrations se déroulent de manière légèrement différente pour la matière et l'antimatière, il apparaît un excédent de leptons.

Celui-ci pourrait ensuite être converti en un excédent de quarks — et donc en matière ordinaire. Cette idée s'appelle la leptogenèse et fut formulée en 1986 par Fukugita et Yanagida.

Elle expliquerait pourquoi l'Univers est fait de matière et non de rien.

Comment cela peut être vérifié

Les partenaires lourds eux-mêmes sont hors d'atteinte. Aucun accélérateur concevable n'approcherait les énergies nécessaires ; il manque dix ordres de grandeur.

Le mécanisme est néanmoins vérifiable, quoique indirectement. Si l'on trouve la double désintégration bêta sans neutrino, alors le neutrino est une particule de Majorana — et le mécanisme de bascule devient bien plus probable.

Si on ne la trouve pas, la question reste ouverte. Une absence de découverte n'exclut pas le mécanisme, seulement certains domaines de paramètres.

Autres versions

Outre la forme de base, il existe des variantes qui introduisent d'autres particules lourdes à la place de neutrinos lourds. Elles conduisent à des formules semblables et sont en partie mieux vérifiables auprès des accélérateurs. Toutes ont en commun l'idée de base : quelque chose de très lourd rend quelque chose de très léger.

Termes associés

Sources

  • P. Minkowski : μ → eγ at a rate of one out of 10⁹ muon decays?, Physics Letters B 67, 421 (1977).
  • M. Fukugita, T. Yanagida : Barygenesis without grand unification, Physics Letters B 174, 45 (1986).