Neutrinos stériles
Les neutrinos stériles sont des particules hypothétiques : une quatrième espèce de neutrino qui ne participerait même pas à l'interaction faible. Ils seraient ainsi encore plus réservés que les neutrinos ordinaires — perceptibles uniquement par le fait qu'ils se mélangent à ces derniers.
Ils n'ont pas été mis en évidence. Mais il existe plusieurs mesures qui pourraient s'expliquer par eux.
Pourquoi exactement trois — et pourquoi peut-être pas
En 1989, on mesura au CERN la largeur de désintégration du boson Z. Il en découle à combien d'espèces légères de neutrinos il peut se coupler. Le résultat fut sans équivoque : trois.
Mais cette mesure n'exclut une quatrième espèce que si celle-ci se comporte comme les autres. Un neutrino qui ne se couplerait pas du tout au boson Z resterait invisible. C'est exactement ce que signifie le mot stérile.
Une telle particule ne participerait à aucune des forces connues hormis la gravitation. Elle ne pourrait se manifester que par l'oscillation des neutrinos : un neutrino ordinaire passerait temporairement dans l'état stérile et serait alors, pour tout détecteur, disparu.
Les indices
Plusieurs mesures indépendantes montrent un déficit qui ne cadre pas avec le tableau :
L'anomalie du gallium. Lors de l'étalonnage de SAGE et de GALLEX avec des sources artificielles de chrome 51 et d'argon 37, le taux mesuré se situait 10 à 20 pour cent en dessous du taux calculé. L'expérience qui leur succéda, BEST, l'a confirmé en 2022.
L'anomalie des réacteurs. Selon un nouveau calcul de 2011, les réacteurs fournissent environ six pour cent d'antineutrinos de moins que prévu.
LSND et MiniBooNE. Deux expériences américaines auprès d'accélérateurs ont trouvé plus de neutrinos électroniques que prédit — LSND dans les années 1990, MiniBooNE plus tard avec un constat semblable.
Il est frappant que tous ces écarts apparaissent sur de courtes distances. Un neutrino stérile d'une masse de l'ordre de l'électronvolt agirait exactement là — sur les longues distances des expériences établies, il serait depuis longtemps moyenné.
Les contre-arguments
L'affaire n'est nullement tranchée, et plusieurs éléments plaident en sens contraire.
Des expériences comme MINOS+, IceCube et Daya Bay ont cherché de manière ciblée le motif d'oscillation correspondant et n'ont rien trouvé. Leurs domaines d'exclusion recouvrent la zone que suggèrent les anomalies — les résultats ne s'accordent donc pas entre eux.
La cosmologie pose elle aussi des limites. Une espèce de particule légère supplémentaire aurait accéléré l'expansion de l'univers primitif et modifié la formation des éléments légers. Les observations laissent peu de marge pour cela.
Et enfin, les anomalies sont explicables une à une. Pour l'anomalie du gallium, la transition nucléaire sous-jacente est en discussion ; pour l'anomalie des réacteurs, les spectres bêta de l'uranium 235, qui ont entre-temps été corrigés.
C'est la situation la plus insatisfaisante qu'un domaine de recherche puisse connaître : plusieurs indices faibles, explicables isolément, mais qui ensemble restent frappants.
La variante lourde
À côté de la forme légère, on envisage aussi des neutrinos stériles lourds, avec des masses de l'ordre du kiloélectronvolt ou bien au-delà.
De telles particules entreraient en ligne de compte comme matière noire. Et dans le mécanisme de bascule, elles apparaissent de toute façon — là, les lourds partenaires droits ne sont rien d'autre que des neutrinos stériles.
Sous cette forme, l'idée n'est nullement exotique, mais fait partie de l'une des explications les plus respectées de la petitesse de la masse du neutrino. La différence tient à la masse : un neutrino stérile lourd serait bien motivé théoriquement, mais hors d'atteinte ; un léger serait mesurable, mais théoriquement difficile à loger.
Pourquoi la recherche continue
Un neutrino stérile léger serait la première particule au-delà du modèle standard que l'on puisse produire en laboratoire. L'enjeu est assez élevé pour que l'on donne suite à un écart de quelques pour cent — même si la probabilité est faible.
Termes apparentés
- SAGE — l'anomalie du gallium
- Neutrinos de réacteur — l'anomalie des réacteurs
- Mécanisme de bascule
- Masse du neutrino
Sources
- Collaboration BEST : Results from the Baksan Experiment on Sterile Transitions, Physical Review Letters 128, 232501 (2022).
- Particle Data Group : Review of Particle Physics, section Sterile Neutrinos.