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Expérience T2K : et si les neutrinos étaient la clef de la présence de matière dans notre Univers ?

Un des grands mystères auquel la physique s’attache à répondre est la prédominance de la matière sur l’antimatière dans l’Univers. L’expérience T2K, qui a présenté ses travaux le 6 août dernier à l’occasion de la conférence internationale sur la physique des hautes énergies (International Conference on High Energy Physics), apporte des pistes de réponse. Ces résultats ont fait l’objet d’un article dans la revue Nature.



D’où vient la prédominance actuelle de la matière sur l’antimatière (totalement disparue) dans l’Univers alors qu’elles étaient toutes deux présentes en quantité strictement égale juste après le Big Bang ? L’explication de cette asymétrie est à l’origine de l’existence même de l’Univers, matière et antimatière ne pouvant pas « cohabiter » durant la phase de refroidissement de notre univers.  Un comportement très différent entre les neutrinos et les antineutrinos pourrait expliquer la « survie » de la matière.

Les chercheurs de l’expérience T2K, installée au Japon, se sont ainsi penchés sur les oscillations quantiques des neutrinos et des antineutrinos. Pour ce faire, ils ont utilisé un faisceau de neutrinos muoniques créé à Tokai (sur la côte est du pays) et l’ont dirigé vers le détecteur Super-Kamiokande (photo) près de Kamioka (côte ouest), un détecteur souterrain rempli de 50 000 tonnes d’eau et situé à 295 km de distance. L’équipe de recherche s’est ensuite intéressée au nombre de neutrinos électroniques étant apparu dans le détecteur Super-Kamiokande –preuve que les neutrinos muoniques s’étaient transformés au cours du voyage entre Tokai et Kamioka. L’expérience a été répétée avec un faisceau d’antineutrinos muoniques.
Si la différence matière-antimatière avait été nulle, 24 neutrinos et 7 antineutrinos – l’antimatière étant plus difficile à produire et à détecter – auraient dû apparaître dans Super-Kamiokande. Les premiers résultats ont fait apparaître 32 neutrinos et 4 antineutrinos.

Le comportement différent de ces particules subatomiques pourrait apporter des réponses au mystère de l’Univers. Ces premiers résultats, portés par les chercheurs de T2K, doivent cependant être consolidés par plus de données T2K et des expériences ultérieures.

Les oscillations des neutrinos, prix Nobel de physique en 2015
En 2015, le prix Nobel de physique a été attribué à deux scientifiques, le Japonais Takaaki Kajita et le Canadien Arthur B. McDonald, pour avoir mis en évidence le phénomène d’oscillation quantique des neutrinos, une particule élémentaire de matière qui apparaît dans les réactions nucléaires et les phénomènes de radioactivité.
Cette découverte a été définitivement confirmée en 2011 par la mise en évidence du mécanisme d’apparition dans l’expérience « T2K » (Tokaï to Kamioka) au Japon à laquelle participe une équipe de chercheurs du Laboratoire Leprince-Ringuet de l’École polytechnique/CNRS, dirigée par Michel Gonin.
Cette expérience a permis la première observation directe de la transformation des neutrinos muoniques en neutrinos électroniques. L’équipe a reçu le Prix La Recherche 2012 et le Breakthrough Prize 2016 pour ces travaux.

Lire l’article de Nature, « Morphing neutrinos provide clue to antimatter mystery »

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