La théorie de la relativité restreinte d’Albert Einstein date de 1905 et ses prédictions ont toujours été vérifiées avec une très grande précision par toutes les expériences. L’un des principes de base de la relativité est le fait que la vitesse de la lumière est une barrière infranchissable. Les photons, qui n’ont pas de masse, se déplacent exactement à cette vitesse dans le vide. Toutes les autres particules, qui ont une masse non nulle, se déplacent moins rapidement.

L’article publié le 23 septembre par les chercheurs de l’expérience OPERA a donc provoqué un certain remous dans la communauté scientifique. Des particules élémentaires appelées neutrinos auraient en effet été observées se déplaçant plus vite que cette limite infranchissable.

Le neutrino

Le neutrino est une particule élémentaire, de masse très faible, mais non-nulle, et sans charge électrique. Il a été proposé pour la première fois d’un point de vue théorique en 1930, par le physicien Wolfgang  Pauli, pour expliquer le bilan énergétique  d’un certain type de radioactivité (la désintégration bêta). L’existence de la particule a été confirmée expérimentalement en 1956 par l’observation directe de neutrinos interagissant avec des protons.

Il existe trois types de neutrinos, le neutrino électronique, le neutrino muonique et le neutrino tau, qui correspondent à trois autres particules élémentaires, l’électron et ses deux cousins plus massifs, le muon et le tau. Les neutrinos sont capables, très rarement, de passer d’un type à l’autre, un phénomène appelé les oscillations de neutrinos. L’expérience OPERA a justement pour but d’étudier comment les neutrinos passent d’un type à l’autre, dans ce cas particulier de la forme muonique à la forme tau.

Pour cette expérience, les neutrinos muoniques  sont produits au super synchrotron à protons du CERN à Genève. Ils sont ensuite capturés et analysés à 730 kilomètres de là, par le détecteur OPERA du laboratoire national de Gran Sasso en Italie, enterré sous 1400 mètres de roches.

La vitesse de la lumière

Le résultat annoncé par l’équipe OPERA ne concerne pas les oscillations de neutrinos elles-mêmes, mais part d’un constat beaucoup plus simple. En analysant la durée du trajet, les physiciens ont découvert avec stupéfaction que les neutrinos semblent se déplacer plus vite que la lumière.  Le temps de parcours a été déterminé très précisément et il est 60 milliardièmes de seconde plus court que la durée prévue, ce qui correspond à environ 20 mètres en distance.

D’un point de vue statistique, il n’y a pas de doute sur la précision des résultats. D’autres  effets possibles, comme des mouvements de l’écorce terrestres ou des incertitudes dans l’électronique des détecteurs ont aussi été pris en compte, mais l’équipe d’OPERA n’a pas à l’heure actuelle d’autre explication qu’un dépassement de la vitesse de la lumière.

La relativité d’Einstein est une théorie qui a toujours été confirmée par les observations. Pour citer un exemple relativement récent,  lors de l’explosion de la supernova SN 1987A, les neutrinos et les photons créés par le cataclysme stellaire ont mis exactement le même temps pour nous atteindre, ce qui contredit les résultats d’OPERA.

En fait, le résultat tellement surprenant que les chercheurs d’OPERA sont eux-mêmes sceptiques et la publication de cet article est plutôt une invitation aux autres chercheurs à essayer de trouver une faille dans les mesures et à encourager des expériences indépendantes.

Si aucune faille ne peut être trouvée et d’autres expériences confirment le résultat, il faudra bien accepter sa validité et chercher une explication. Plusieurs théories sont d’ailleurs déjà évoquées, des dimensions supplémentaires de l’espace-temps, des trous de ver, des effets quantiques,  mais il est probablement un peu tôt pour s’aventurer sur ce terrain.