OPERA

OPERA était une expérience sur les neutrinos menée au laboratoire souterrain du Gran Sasso, qui a reçu de 2008 à 2012 un faisceau venu du CERN — 730 kilomètres à travers les Alpes et les Apennins. Sa mission : voir directement la transition des neutrinos muoniques aux neutrinos tauiques.

L'apparition au lieu de la disparition

La plupart des expériences d'oscillation mesurent que des neutrinos manquent. Super-Kamiokande avait montré en 1998 que des neutrinos muoniques disparaissent sur leur chemin à travers la Terre. Où ils vont, le détecteur ne le voyait pas.

OPERA voulait montrer précisément cela. Pour ce faire, il lui fallait mettre en évidence des neutrinos tauiques — et ceux-ci ne se trahissent que par la production d'un lepton tau.

Ce lepton vit environ 0,3 billionième de seconde et parcourt pendant ce temps moins d'un millimètre avant de se désintégrer. Il faut donc reconnaître une trace très courte et, à l'intérieur, un coude — l'endroit où le tau se désintègre et où ses particules filles poursuivent leur vol dans une autre direction.

Aucun détecteur électronique ne résout cela. Les chambres à fils les plus fines atteignent quelques dixièmes de millimètre.

Des briques de plomb et de film

La solution d'OPERA était un retour à une technique ancienne. Le détecteur se composait d'environ 150 000 briques. Chacune était un empilement de 56 plaques de plomb avec, entre elles, des couches d'émulsion photographique ; elle pesait huit bons kilogrammes et avait à peu près la taille d'une boîte à chaussures. Ensemble, elles donnaient 1 250 tonnes.

Le plomb fournit la masse, afin qu'une interaction ait lieu tout court. L'émulsion enregistre les traces avec une résolution inférieure au micromètre — mille fois plus fine que n'importe quel détecteur électronique.

Le procédé qui se tient derrière

L'émulsion a un inconvénient décisif : elle enregistre tout et ne se laisse pas lire comme une puce. Un film qui reste des années dans le détecteur accumule des millions de traces inutilisables.

La solution était une division du travail. Entre les murs de briques étaient suspendus des détecteurs électroniques qui indiquaient grossièrement où et quand quelque chose s'était produit. Un robot allait alors chercher dans le mur la brique concernée, les films étaient développés et examinés automatiquement au microscope.

L'émulsion n'était ainsi plus un stockage passif, mais une partie d'un processus de recherche. Le procédé permettait de prélever, parmi 150 000 briques, exactement celle qui contenait quelque chose.

Le résultat

Le premier candidat tau a été trouvé en 2010. En 2015, il y en avait dix.

Dix événements après des années de fonctionnement, cela paraît peu et c'est un triomphe. Le bruit de fond attendu était inférieur à un événement ; la significativité statistique a atteint 6,1 écarts types — bien au-dessus du seuil de cinq à partir duquel la physique des particules parle de découverte.

La transition νμ → ντ était ainsi directement établie. Avec DONUT, qui avait mis en évidence le neutrino tauique pour la première fois, et avec les mesures de disparition, le tableau de l'oscillation des neutrinos était complet.

L'affaire de la vitesse de la lumière

En 2011, OPERA a annoncé que ses neutrinos étaient arrivés environ 60 nanosecondes plus tôt que la lumière ne l'aurait fait. La nouvelle a fait le tour du monde.

Ce qui est remarquable, c'est la manière dont la collaboration a traité l'affaire. Elle a publié le constat expressément comme inexpliqué, a demandé à la communauté scientifique de l'examiner et n'a pas prétendu avoir réfuté Einstein. Le porte-parole a dit en substance que l'on avait cherché une erreur pendant des mois sans en trouver — et que c'était pour cela que l'on rendait l'affaire publique.

L'examen a trouvé la cause : un connecteur de fibre optique de la mesure du temps qui n'était pas complètement enclenché, ainsi qu'un oscillateur au fonctionnement imprécis. Après la correction, les neutrinos se déplaçaient à la vitesse de la lumière. En 2012, trois autres expériences du Gran Sasso l'ont confirmé de façon indépendante, et OPERA elle-même a présenté une mesure rectifiée.

L'épisode est considéré aujourd'hui comme un cas d'école — non à cause de l'erreur, que chacun peut commettre, mais à cause de la manière ouverte dont elle a été traitée.

Notions liées

• DONUT — la première mise en évidence du neutrino tauique
• Oscillation des neutrinos
• Martin Perl — découvreur du lepton tau
• MINOS — le pendant américain

Sources

• Collaboration OPERA : Discovery of τ Neutrino Appearance in the CNGS Neutrino Beam with the OPERA Experiment, Physical Review Letters 115, 121802 (2015).
• Collaboration OPERA : Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam, JHEP 2012, 093 — version rectifiée.