Les neutrinos sont des leptons, partenaires neutres des électrons, muons et taus. Postulée en 1930 par Pauli pour expliquer le spectre continu de la désintégration β, leur existence est démontrée expérimentalement en 1956 par la première observation de neutrino au réacteur de Savannah River par Reines et Cowan. Depuis, la découverte du neutrino muonique (AGS, 1962), tauique (DONUT, 2000) et de leur oscillation entre ces saveurs leptoniques (SNO/Super-Kamiokande, 1998) indiquent l’existence d’une physique surprenamment riche dans ce secteur.
La physique du neutrino
Le neutrino est une des rares particules ayant dépassé le pouvoir prédictif du modèle standard de la physique des particules (SM). Le phénomène d’oscillation et la valeur des états propres de masse, non prédits, en font une porte d’entrée privilégiée pour penser au-delà du SM, d’où les efforts investis pour mieux les comprendre. L’oscillation des neutrinos entre états propres de saveurs (e,μ,τ) est due à une non-superposition entre état propre de saveur et de masse. Leur mélange est décrit par la matrice PMNS:
Après la mise en évidence des oscillations entre saveurs du neutrino, la seconde génération de détecteurs a permis de mesurer les 3 angles d’oscillations (θ13, θ23, θ12) et de donner une image cohérente de la matrice PMNS décrivant les mélanges entre états propres de masses et saveurs leptoniques. Si la description du neutrino progresse, certaines questions fondamentales demeurent.
Parmi les recherches actuelles, trois questions cristallisent une grande partie des efforts expérimentaux actuels:
- le mécanisme générant la masse du neutrino directement lié à sa nature (Dirac ou Majorana)
- la valeur absolue des états propres de masse et leur ordonnancement (hiérarchie normale ou inversée)
- l’intensité de la violation CP dans le secteur leptonique ainsi que la valeur de l’octant θ23
Si ces questions (nature, masse et oscillation) découlent de la description standard du neutrino, d’autres, portées par des anomalies persistantes, cherchent dans le secteur des neutrinos des questions différentes sur l’existence d’interactions non standard, de neutrinos stériles, d’interactions cohérentes voire utilisent les neutrinos comme outil pour comprendre l’évolution d’objets astrophysiques. Le neutrino est une porte d’entrée vers les modèles au-delà du modèle standard et un messager fidèle d’évènements lointains.
Oscillation et violation CP
La mesure des angles de mélanges fait l’objet de groupe d’études dédiés, ajustant les paramètres d’oscillations de façon globale, intégrant l’ensemble des mesures actuellement disponibles. L’image ci-dessous résume l’état des connaissance et les erreurs associées (Universe 2021, 7, 459).
Parmi les questions fondamentales accessibles en observant l’oscillation des neutrinos, la violation CP est l’une des plus pressantes. Étant une des conditions de Sakharov nécessaire afin d’expliquer la présence quasi exclusive de matière dans l’Univers, la violation CP fait l’objet d’intenses efforts de recherche dans le domaine des hadrons (Babar, Belle, LHCb) comme dans celui des leptons (T2K, NOVa).
Groupes de recherche à l’IJCLab
Au pôle PHE, les recherches sur les neutrinos se font sur trois fronts :