Un neutrino oublié pourrait expliquer notre existence

Le neutrino dont personne ne voulait

Un neutrino est une particule sans charge électrique et presque sans masse. Il traverse la matière ordinaire comme une balle traverse du brouillard. Le Soleil en produit une quantité astronomique: environ 65 milliards traversent chaque centimètre carré de la Terre à chaque seconde. Presque tous passent sans laisser la moindre trace.

Pendant longtemps, on l'a cru totalement dépourvu de masse. Les expériences d'oscillation ont changé la donne. Un neutrino peut changer de saveur en vol, passer d'une famille à une autre, et ce changement n'est possible que s'il possède une masse. Restait à expliquer pourquoi cette masse est si petite, des millions de fois plus petite que celle de l'électron.

La réponse la plus élégante porte un nom imagé. Le mécanisme du seesaw, littéralement la balançoire, ajoute au modèle standard des partenaires lourds, les neutrinos droitiers. Plus ces partenaires sont massifs, plus le neutrino visible devient léger. Le principe ressemble à un contrepoids posé sur un fléau: une masse énorme d'un côté soulève presque sans effort le plateau de l'autre côté.

Il se trouve que deux de ces neutrinos lourds suffisent à reproduire les écarts de masse mesurés. Les théoriciens travaillent donc avec un modèle minimal, à deux partenaires seulement. Le troisième, noté N₃, est si peu couplé aux autres particules qu'il sort du calcul. On l'efface des équations, comme un détail sans conséquence. C'est ce figurant que les deux chercheurs remettent sur scène.

Leur argument tient en une phrase. Un couplage minuscule ne rend pas seulement la particule discrète, il la rend aussi très difficile à désintégrer. Un neutrino presque invisible est un neutrino qui vit longtemps. « Ce neutrino lourd découplé a longtemps été écarté comme un détail de fond sans intérêt en physique des particules », résume Rishav Roshan dans le communiqué de son université.

Un milliard de photons pour une particule de matière

Le problème que l'article attaque est le plus ancien de la cosmologie moderne. Au départ, matière et antimatière auraient été fabriquées en quantités presque égales. Or ces deux familles s'annihilent au moindre contact et libèrent de l'énergie. Si l'égalité avait été parfaite, il ne serait resté que de la lumière, et pas la moindre étoile.

La réalité est plus favorable. Pour chaque particule de matière qui a survécu, l'Univers compte environ un milliard de photons. Un déséquilibre d'une partie sur un milliard a suffi à peupler le cosmos. Sans lui, pas de galaxies, pas de planètes, pas de nous.

En 1967, Andreï Sakharov énonce les trois ingrédients nécessaires pour fabriquer un tel excès. Il faut une interaction qui ne conserve pas le nombre de baryons, ces particules lourdes qui composent les noyaux. Il faut une différence de comportement entre matière et antimatière, ce que les physiciens appellent la violation de la symétrie CP. Il faut enfin une étape hors équilibre, un moment où le plasma ne peut plus compenser ce qui se produit.

La leptogenèse, proposée en 1986 par Masataka Fukugita et Tsutomu Yanagida, réunit les trois. Les neutrinos lourds se désintègrent hors équilibre et produisent un peu plus de leptons que d'antileptons. Des processus collectifs du plasma primordial, appelés sphalerons, convertissent ensuite environ un tiers de cet excès en baryons. La recette fonctionne, à condition de savoir doser les ingrédients.

L'interrupteur qui décide des saveurs

Les leptons chargés, c'est-à-dire l'électron, le muon et le tau, interagissent avec le boson de Higgs, la particule qui leur donne leur masse. Cette interaction, dite de Yukawa, n'est pas toujours active. Son rythme dépend de la température, et il faut le comparer à celui de l'expansion de l'Univers, qui fixe la cadence de tout le reste.

Le résultat est un interrupteur. Au-dessus d'une certaine température, l'interaction est trop lente pour suivre l'expansion, elle reste éteinte. En dessous, elle prend le dessus et sépare les saveurs. Ce basculement ne se produit pas au même moment pour les trois familles, parce que leurs couplages n'ont pas la même force. Pour le tau, il survient vers 5 × 10¹¹ GeV. Pour le muon, vers 10⁹ GeV. Pour l'électron, vers 5 × 10⁴ GeV.

Ces nombres se lisent en énergie, une convention des physiciens des particules. Un électronvolt est l'énergie qu'un électron gagne en traversant une différence de potentiel d'un volt, et un GeV vaut un milliard d'électronvolts. Une température de 5 × 10¹¹ GeV correspond à une énergie par particule plus de trente millions de fois supérieure à celle des collisions du LHC, le grand collisionneur du CERN.

Voilà le point clé de l'article. Si N₃ a dominé l'Univers pendant un temps, l'expansion a été plus rapide qu'on ne le croyait, à température égale. L'interrupteur s'allume alors plus tard, à une température plus basse. Les auteurs calculent le décalage. Pour N₃ de masse 10¹⁴ GeV et un neutrino léger de 5 × 10⁻¹² eV, le seuil du tau descend à 7 × 10¹⁰ GeV. Pour une masse de 10¹⁵ GeV et un neutrino de 5 × 10⁻¹³ eV, il tombe à 4,2 × 10¹⁰ GeV. Jusqu'à un facteur dix, sur une échelle où chaque facteur compte.

La conséquence est concrète. Un neutrino lourd N₁ de 10¹¹ GeV, celui qui fabrique l'asymétrie en se désintégrant, se retrouve d'un côté ou de l'autre du seuil selon le scénario. Dans l'Univers standard, l'interaction du tau est déjà allumée quand il se désintègre, et il faut suivre la saveur de chaque lepton. Avec N₃, elle ne l'est pas encore. Tant que rien ne mesure la saveur, la particule reste un mélange des trois familles. Dès que l'interaction s'allume, elle agit comme un instrument de mesure et chaque famille mène sa propre vie.

Le même N₁, avec la même masse, ne raconte donc plus la même histoire. Le décalage du seuil change la façon dont les physiciens doivent tenir leurs comptes, et le résultat final sur la quantité de matière produite.

La recette de la matière, réécrite

Le scénario se referme comme un puzzle. Un seul couplage minuscule règle à la fois la durée de vie de N₃, la durée de sa domination et la masse du neutrino le plus léger. Trois effets, une seule commande. C'est ce qui distingue ce modèle des théories qui ajoutent un champ sombre pour dominer l'Univers primordial. Ici, la particule est déjà dans le modèle, et son action reste reliée à une grandeur que les expériences peuvent mesurer.

Les auteurs vérifient la cohérence sur un jeu de paramètres. Avec N₃ à 10¹⁴ GeV, N₁ à 10¹¹ GeV et un neutrino léger de 5 × 10⁻¹² eV, le calcul retombe sur la quantité de matière observée. Le mécanisme joue sur deux effets opposés. D'un côté, le décalage du seuil autorise une leptogenèse sans distinction de saveurs, plus efficace. De l'autre, la désintégration tardive de N₃ réchauffe le plasma et dilue l'asymétrie déjà fabriquée. Plus N₃ vit longtemps, plus il dilue. L'accord final vient de l'équilibre entre les deux.

Soyons précis sur ce que cela vaut. Les paramètres sont ajustés pour tomber sur la bonne valeur. Ce n'est pas une prédiction, c'est une démonstration de faisabilité. La force du travail est ailleurs, dans le lien entre des quantités qui, d'ordinaire, n'ont rien à faire ensemble.

Trois façons de prendre la théorie en défaut

Une théorie sans prise sur l'observation ne vaut pas grand-chose. Celle-ci en propose au moins trois.

La première est la masse du neutrino le plus léger. Le scénario la prédit entre 10⁻¹² et 10⁻¹⁴ eV. Pour situer, les expériences d'oscillation mesurent des écarts de masse de l'ordre de quelques millièmes à quelques centièmes d'électronvolt, et elles ne disent rien de la masse absolue. Les expériences qui la pèsent directement, comme KATRIN, qui observe la désintégration du tritium, et Project 8, qui mesure le rayonnement cyclotron d'un électron, travaillent à l'échelle de la fraction d'électronvolt. La prédiction reste hors de portée. Elle donne au moins un chiffre à confronter, ce que beaucoup de scénarios cosmologiques ne font pas.

La deuxième est le spectre des ondes gravitationnelles. Une époque de domination par la matière modifie l'expansion, donc la façon dont les ondes primordiales sont étirées et diluées. Les auteurs citent trois signatures possibles. Des ruptures de pente dans le spectre produit par un réseau de cordes cosmiques, ces défauts topologiques hérités des transitions de phase du jeune Univers. Un fond cosmique de micro-ondes gravitationnelles, l'équivalent gravitationnel du fond diffus. Et un rayonnement de freinage émis à très haute fréquence par les particules lourdes qui se désintègrent. Les basses fréquences relèvent des réseaux de pulsars et des futurs interféromètres spatiaux, les fréquences de l'ordre du gigahertz demandent des détecteurs encore à l'étude. Selon les auteurs, détecter une telle signature prouverait que des particules massives ont existé et se sont désintégrées dans l'Univers primordial.

La troisième est la cosmologie de précision. Une domination précoce change la production de matière noire et l'histoire de l'expansion. Les relevés qui cartographient la structure de l'Univers, comme ceux de la mission Euclid, contraignent la somme des masses des neutrinos par leurs effets sur les galaxies. Si cette somme s'avère incompatible avec un neutrino très léger, le scénario perd sa base. Rien n'est encore tranché, mais la théorie n'est pas à l'abri d'un démenti.

Pour aller plus loin

• La particule au cœur de l'article : le neutrino dans notre glossaire, et la matière noire, dont la production dépend elle aussi de l'histoire de l'expansion.
• Le scénario mise sur un neutrino quasi sans masse. La mission Euclid de l'ESA pèse indirectement la somme des masses des neutrinos en cartographiant des milliards de galaxies.
• Le ciel, lui, s'observe ce soir. Notre carte du ciel interactive et son guide d'observation ramènent ces échelles vertigineuses à ce qui tient dans un oculaire.
• Les sources de cet article : l'article dans Physical Review Letters (DOI 10.1103/nfkx-q6z7) et sa version libre sur arXiv.