Stereo, l'expérience ultime qui réfute l'hypothèse des neutrinos stériles

Loris Scola CEA

Où passent les neutrinos ? Depuis plus de dix ans, des chercheurs s'interrogent sur le déficit de neutrinos émis lors de réactions de fissions nucléaires, par rapport aux prévisions. Pour expliquer l'écart entre théorie et mesures, ils avaient émis l'hypothèse de l'existence d'un "neutrino stérile", quasi indétectable, et par ailleurs bon candidat pour constituer la matière noire. Les conclusions de l'expérience Stereo menée durant quatre ans à Grenoble écartent définitivement cette hypothèse.

C’est la fin de l’hypothèse "neutrino stérile". L’expérience Stéréo, une large collaboration internationale regroupant entre autres le CEA et le CNRS, conclut ainsi une traque de quatre ans menée au sein de l’Institut Laue-Langevin de Grenoble. Ce résultat, publié le 12 janvier 2023 dans la revue Nature, déçoit forcément un peu, car le neutrino stérile sortait du cadre actuellement défini par le modèle standard de la physique des particules. Il ouvrait ainsi la voie à une nouvelle physique. C’était aussi un candidat sérieux pour constituer la mystérieuse matière noire, cinq fois plus abondante que la matière classique, mais totalement invisible… "Néanmoins, la précision de la mesure est là, affirme à Sciences et Avenir David Lhuillier, physicien au CEA et porte-parole de l’expérience. Non seulement elle permet de rejeter l’hypothèse « neutrinos stériles » mais elle amène aussi à une réévaluation de nos connaissances de certains mécanismes en jeu dans les réactions nucléaires."

Les neutrinos en déficit chronique

Tout commence à la fin des années 1990. Les neutrinos sont connus comme des particules issues des réactions de fusions ou de fissions de noyaux d’atome. Le Soleil, en fusionnant des protons pour former de l’hélium, produit à chaque instant des milliards de milliards de neutrinos qui nous traversent sans conséquence. Selon le modèle standard, ils n’ont pas de masse. Ils existent sous trois formes, des "saveurs" en physique quantique : muonique, électronique, tauique. Et en cette toute fin du 20e siècle, ils posent un problème.

Le flux de neutrinos de type électronique en provenance du Soleil est inférieur aux prédictions des spécialistes de notre étoile. Où passent-ils ? En 1998, l’expérience Super Kamiokande au Japon livre la clé de l’énigme. Les neutrinos électroniques ne disparaissent pas entre le Soleil et la Terre. Ils changent de saveur, devenant tauiques ou muoniques, et donc transparents pour les détecteurs sensibles aux seuls neutrinos électroniques. [...]

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