La théorie de l'oscillation des neutrinos confirmée par K2K

18 août 2004

Les neutrinos, postulés en 1930 et découverts en 1956, restent mystérieux par bien des côtés. On a pu néanmoins montrer qu’il en existe trois variétés (ou saveurs) associées aux trois leptons chargés connus : l’électron et ses deux partenaires plus lourds, le muon et le tau. Si les neutrinos ont une masse, la théorie prédit alors la possibilité de transition (ou oscillation) d’une saveur à l’autre. Les propriétés de ces oscillations sont fondamentales pour la théorie des constituants élémentaires de la matière, et pourraient jouer un rôle-clé dans l'ascendant pris par la matière sur l'antimatière au commencement de l'Univers. L’expérience japonaise K2K à laquelle participe le Dapnia vient récemment d’apporter une sérieuse confirmation de ces oscillations.

Ces dernières années, la transformation spontanée des neutrinos lors de leur voyage dans la matière ou dans le vide a été mise en évidence sans ambiguïté. Ces résultats proviennent d’une part d’expériences sur les neutrinos naturels produits à l'intérieur du Soleil et sur l'interaction du rayonnement cosmique avec l'atmosphère, et d’autre part de l’étude des antineutrinos artificiels produits dans des réacteurs nucléaires. La théorie la plus plausible pour expliquer les phénomènes observés est celle de l'oscillation ; il s'agit maintenant de l’éprouver. L'expérience japonaise K2K a été conçue dans ce but : des neutrinos de la famille du muon sont produits par l'accélérateur KEK, pour être détectés à 250 km de là, dans les 50 000 tonnes d'eau du détecteur SuperKamiokande déjà utilisé pour les neutrinos atmosphériques. Le Dapnia de Saclay a rejoint la collaboration à la fin de 2002, et s’est activement engagé dans l'étude et le contrôle de qualité des données.

La théorie de l'oscillation des neutrinos confirmée par K2K

Spectre en énergie des neutrinos. Les points représentent les données ; l'histogramme en noir représente la forme attendue en l'absence d'oscillation, l’histogramme en rouge représente celle attendue en présence d'oscillation, après ajustement des paramètres de la théorie aux données.

De nouveaux résultats incluant les données prises jusqu'en mars, ont été produits à l’occasion de la conférence internationale Neutrino 2004 qui s'est tenue à Paris du 14 au 19 juin derniers. Le résultat le plus important concerne le spectre en énergie des neutrinos détectés dans SuperKamiokande : comme on peut le voir sur la figure, la forme du spectre s’accorde mieux au phénomène d'oscillation qu’à l’hypothèse inverse. La poursuite de la théorie de l'oscillation nécessite des expériences plus intenses que K2K ; un accélérateur partiellement consacré à cet objectif est en cours de construction à 300 km de SuperKamiokande, et le Dapnia compte y poursuivre la collaboration fructueuse commencée avec K2K.

#219 - Màj : 18/08/2004

Département de Physique Nucléaire

Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers