Des neutrinos plus rapides que la lumière ?


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.

Un article publié le 23 septembre 2011 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 oscillation 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 concernait pas les oscillations de neutrinos elles-mêmes, mais partait d’un constat beaucoup plus simple. En analysant la durée du trajet, les physiciens découvrirent avec stupéfaction que les neutrinos semblaient se déplacer plus vite que la lumière.  Le temps de parcours fut déterminé très précisément et il était de 60 milliardièmes de seconde plus court que la durée prévue, ce qui correspond environ à 20 mètres en distance.

D’un point de vue statistique, il n’y avait 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 furent aussi pris en compte, mais l’équipe d’OPERA n’avait pas 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.

Des erreurs systématiques

Les physiciens en question ne pensaient pas vraiment que la théorie était en doute, mais il s’agissait plutôt d’un appel à l’aide pour essayer d’expliquer les mesures et organiser des expériences indépendantes. Au fil des mois, il devint clair que les observations de la collaboration OPERA souffraient d’erreurs systématiques instrumentales et d’autres expériences annoncèrent des résultats compatibles avec la relativité.

Le CERN annonça finalement ses conclusions définitives le 8 juin 2012 à la 25e conférence internationale de physique et d’astrophysique des neutrinos à Kyoto.

Les neutrinos ne vont pas plus vite que la lumière et c’est bien une erreur instrumentale qui a conduit à des résultats controversés. Le problème a été mis sur le compte d’une mauvaise connexion dans la fibre optique reliant le système de mesure à son horloge principale, ce qui a conduit à sous-estimer le temps de voyage des neutrinos. Lors de cette même conférence, quatre expériences différentes, BOREXINO, ICARUS, LVD et OPERA, ont annoncé de nouvelles mesures qui toutes confirment que les neutrinos ne se déplacent pas plus vite que la lumière.


Page mise à jour le 18 mai 2016 par Olivier Esslinger