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Le 30 septembre 2011

Neutrinos, CERN et supernova

Le 22 septembre 2011, la nouvelle tombe : des particules ultra-légères, des neutrinos auraient parcouru, à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière, les 732 km qui séparent l’accélérateur de particules du CERN à Genève (Suisse), du détecteur OPERA du Gran Sasso dans les Abruzzes (Italie).

Jean Pestieau

Si ce résultat [1] s’avérait correct, la théorie de la relativité d’Einstein de 1904 devrait être modifiée. Le 30 septembre, il y a déjà 18 articles scientifiques, commentant cette expérience, qui ont été déposés dans la bibliothèque électronique de recherche la plus dynamique du monde — gratuite en plus — : arxiv.org.

Parmi ceux-ci, a retenu particulièrement mon attention celui [2] de Andrew G. Cohen et Sheldon L. Glashow. Glashow a reçu le prix Nobel de physique en 1979. Avec panache, intelligence et connaissance profonde du sujet, ils montrent pourquoi le résultat de l’expérience OPERA ne peut être correct, non pas sur base de spéculations théoriques, mais par la confrontation avec d’autres résultats expérimentaux.

Pour faire apprécier la saveur du sujet, je vais avancer quelques éléments d’astrophysique. Le Soleil, source de toute énergie, sur notre planète est une énorme centrale thermonucléaire qui émet un nombre immense de neutrinos et de photons (particules de lumière). Chaque seconde, 65 milliards de neutrinos émis par le soleil traversent chaque centimètre carré de la surface terrestre (ou de tout centimètre carré de surface perpendiculaire à la droite reliant la Terre au Soleil, aussi de la surface de votre corps !) Moins d’un de ces neutrinos sur 10 000 est intercepté par un atome de notre planète. Nous leur sommes transparents ! Ils sont partout et terriblement difficiles à détecter.

Et il faut dire que le Soleil apparaît très peu énergétique par rapport à une supernova. Une supernova est l’ensemble des phénomènes qui suivent l’explosion d’une étoile, qui s’accompagne d’une augmentation brève mais fantastiquement grande de sa luminosité (photons) et de sa production de neutrinos. Les supernova visibles à l’œil nu sont rares, moins d’une par siècle. Une des plus célèbres, apparue en 1572, est la supernova dite de Tycho, en l’honneur du Danois Tycho Brahé, un des plus grands astronomes de tous les temps. Il en fut un des observateurs les plus assidus. Elle joua un rôle essentiel dans l’évolution des conceptions du monde, car elle fut utilisée par Tycho pour réfuter le dogme aristotélicien et chrétien de l’immuabilité des cieux. La « nouvelle étoile » a contribué à briser les anciens modèles des cieux et à inaugurer une formidable révolution en astronomie.

Arrivés à ce point, il est bon de se rappeler qu’ « il ne faut pas oublier que c’est du bouleversement radical actuel des sciences de la nature que naissent constamment des écoles philosophiques réactionnaires, grandes et petites, des courants philosophiques de grande et de moindre importance [3]. »

En 1987, coup de tonnerre, une supernova apparaît le 23 février. C’est la seule supernova qui a été détectée à l’œil nu au 20e siècle. Mais, il y a alors une nouveauté. Des détecteurs de neutrinos solaires ont été récemment mis en service. Quelle chance ! Cette supernova (SN 1987 A) est relativement très proche. Elle ne se trouve qu’à 168 000 années-lumière. Cela veut dire que le 23 février 1987, on a assisté sur Terre à une super-explosion qui s’était passée 168 000 ans plus tôt. Cette explosion s’est faite à partir d’une étoile qui avait environ 20 fois la masse du Soleil. Elle a émis un nombre colossal de neutrinos et de photons.

Pour la première fois grâce à SN 1987 A, l’émission de neutrinos par une supernova a pu être observée directement. Environ trois heures avant que la lumière visible du phénomène n’atteigne la Terre, un éclat de neutrinos fut observé dans trois observatoires de neutrinos différents [Kamiokande (Japon ), IMB (États-Unis) et Baksan (Union soviétique)]. À 7 h 35 TU [4], Kamiokande détecta 11 neutrinos, IMB 8 neutrinos et Baksan 5 neutrinos, le temps d’un éclair qui dura moins de 13 secondes. Bien que le nombre de neutrinos observés soit de seulement 24 au total, il s’agissait là d’une augmentation significative par rapport au niveau normal de réception de neutrinos (solaires, particulièrement). Les observations corroboraient les estimations des modèles, avec un total de 1058 neutrinos émis par SN 1987 A (1058, c'est 1 suivi de 58 zéros).

Un autre résultat très significatif fut tiré des données collectées : la lumière est arrivée sur Terre 3 heures plus tard que les neutrinos, confirmant ainsi les modèles nucléaires qui prédisent que la lumière (photons) ne peut s’échapper de la supernova que 3 heures après l’émission des neutrinos. Il en a été évidemment déduit que les neutrinos avaient parcouru la même distance que les photons (lumière) en 168 000 ans. Il est facile de calculer que si les neutrinos émis par SN 1987 A avaient la vitesse qui est proclamée par l’expérience OPERA, ils seraient arrivé sur Terre environ 4 ans avant la lumière émise, plutôt que 3 heures avant !

Les neutrinos considérés par l’expérience OPERA sont au départ des neutrinos muoniques, ceux émis par SN 1987 sont au départ des neutrinos électroniques. On pourrait argumenter que les neutrinos muoniques ont une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière contrairement aux neutrinos électroniques qui iraient eux à la vitesse de la lumière. Mais Cohen et Glashow argumentent que cela n’est pas crédible car justement les trois types (au moins) de neutrinos électroniques, muoniques et tauïques se convertissent ou oscillent continuellement l’un dans l’autre au cours du temps et que le mécanisme de conversion ne permet pas d’avoir un neutrino qui tantôt va à la vitesse de la lumière, puis à une vitesse au-dessus de la vitesse de la lumière.

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Cette note est écrite en mémoire de Hans Bethe (1906-2005), prix Nobel de physique 1967, qui a été le premier à expliquer en 1938 le mécanisme des réactions thermonucléaires dans les étoiles et particulièrement le Soleil. Il était un grand spécialiste des neutrinos et des supernovas. J’ai eu la chance de travailler dans son laboratoire durant deux ans, de 1968 à 1970.

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[1] http://arxiv.org/abs/1109.4897.

[2] http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/1109/1109.6562v1.pdf.

[3] Lénine, « La portée du matérialisme militant » (1922), Œuvres, tome 33, p. 235-236. Ou bien http://www.marxists.org/francais/lenin/works/1922/03/vil19220312.htm.

[4] Temps universel, http://fr.wikipedia.org/wiki/Temps_universel.

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