Commentaires principaux : Une expérience en Chine pourrait déterminer l'ordre de masse des neutrinos

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Les neutrinos sont des particules fantomatiques sans charge, tout au plus très peu de masse, et se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière. Ils n'interagissent avec d'autres particules que par le biais de la force nucléaire faible, qui peut transformer un neutron en proton, éjectant un électron, ou (pour un antineutron) transformer un proton en neutron, éjectant un positron (antiélectron). Parce que la force faible est si faible, de tels événements se produisent rarement, il est donc assez difficile d’observer ces particules. Des milliards de neutrinos traversent votre corps chaque seconde, mais vous ne le sauriez jamais car très peu interagissent réellement avec les noyaux de votre corps.

Il existe trois types connus de neutrinos, chacun étant lié à des particules de type électronique. L'électron possède le neutrino électronique ; le muon le plus lourd possède le neutrino du muon ; et une particule tau beaucoup plus lourde possède le neutrino tau. Une découverte concernant ces différents neutrinos est que chaque neutrino s'interconvertit vers les autres types pendant qu'il se propage dans l'espace. Le fait que les neutrinos ne soient pas statiques lorsqu’ils se déplacent signifie qu’ils ne se déplacent pas à la vitesse de la lumière (mais à une vitesse légèrement inférieure à celle-ci), ce qui signifie qu’ils ont une masse. Il est donc naturel de se poser la question suivante : quelles sont les différentes masses des neutrinos connus ? Et s’il n’est pas possible de mesurer réellement ces masses, est-il au moins possible de déterminer quel est l’ordre des masses ?

Une expérience qui sera prochainement mise en ligne en Chine espère répondre à cette question, voire y répondre directement. L'expérience consiste en une sphère acrylique de 35 mètres de diamètre, à remplir d'une solution organique qui émet un éclair de lumière (scintille) lorsqu'un événement nucléaire se produit. Un réseau de 43 000 tubes photomultiplicateurs entourera la sphère pour détecter de tels événements. Il y a 8 réacteurs nucléaires à 53 kilomètres de cette sphère qui produisent un flux constant d'antineutrinos électroniques. Les scientifiques mesureront combien de ces antineutrinos électroniques ne se sont pas convertis en l’un des autres types au cours de leur trajet du réacteur au détecteur. (Le détecteur est aveugle aux neutrinos muons et tau.)

C'est ici que les choses deviennent un peu confuses. Les théoriciens ont déterminé qu’il existe trois états de masse du neutrino, qu’ils appellent m1, m2 et m3. Il est naturel de supposer immédiatement que chacune de ces trois masses correspond à la masse de l’un des trois types de neutrinos, mais en fait, les états de masse ne sont pas corrélés aux types réels de neutrinos de manière biunivoque. Chacun des types de neutrinos est en fait une superposition mécanique quantique des trois états de masse. Il a déjà été déterminé que m2 est plus grand que m1. La question qui reste est de savoir si m3 est plus lourd que m2 (ce qu'on appelle « l'ordre normal ») ou plus léger que m1 (« l'ordre inversé »).

Lorsqu'un antineutrino électronique non converti parvient au détecteur et interagit avec un proton, il convertit le proton en neutron et libère un positon énergétique. Ce positon produira un flash vu par le détecteur. Mais aussi, le produit neutronique finira par être absorbé par un noyau, qui produira un deuxième éclair environ 200 millisecondes plus tard. Cette séquence de deux éclairs (combinée au fait d'être loin sous terre et donc protégée par la Terre elle-même) permettra de distinguer un événement induit par un antineutrino issu des réacteurs de celui même produit par un rayon cosmique aléatoire. Le nombre d’antineutrinos électroniques qui survivent à leur voyage déterminera si l’ordre du spectre de masse est normal ou inversé.