Au fond d'une montagne en Italie, dans le mètre cube le plus froid de l'univers connu, les scientifiques cherchent des preuves que des particules fantomatiques appelées neutrinos agissent comme leurs propres partenaires d'antimatière. Ce que ces chercheurs trouvent pourrait expliquer le déséquilibre de la matière et de l'antimatière dans l'univers.
Jusqu'à présent, ils sont venus les mains vides.
Les derniers résultats des deux premiers mois de l'expérience CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) à Gran Sasso, en Italie, ne montrent aucun indice d'un processus prouvant que les neutrinos, qui sont générés par le rayonnement cosmique, sont leurs propres partenaires en matière d'antimatière. Cela signifie que si le processus se produit, il se produit si rarement qu'il a lieu environ une fois tous les 10 septillions (10 ^ 25) ans.
Le but ultime de cette expérience est de résoudre l'une des énigmes les plus durables de l'univers, et celle qui suggère que nous ne devrions même pas être ici. Cette énigme existe parce que le Big Bang théorique - dans lequel une petite singularité aurait gonflé plus de 13,8 milliards d'années pour former l'univers - aurait dû aboutir à un univers avec 50% de matière et 50% d'antimatière.
Lorsque la matière et l'antimatière se rencontrent, elles s'annihilent et se rendent inexistantes.
Mais ce n'est pas ce que nous voyons aujourd'hui. Au lieu de cela, notre univers est principalement de la matière, et les scientifiques ont du mal à découvrir ce qui est arrivé à toute l'antimatière.
C'est là qu'interviennent les neutrinos.
Que sont les neutrinos?
Les neutrinos sont de minuscules particules élémentaires pratiquement sans masse. Chacun est plus petit qu'un atome, mais ils sont parmi les particules les plus abondantes de la nature. Comme les fantômes, ils peuvent traverser les gens et les murs sans que personne (même les neutrinos) ne s'en aperçoive.
La plupart des particules élémentaires ont une contrepartie impaire en antimatière, appelée antiparticule, qui a la même masse que son partenaire de matière normale mais la charge opposée. Mais les neutrinos sont un peu bizarres par eux-mêmes, en ce sens qu'ils n'ont pratiquement aucune masse et qu'ils sont sans charge. Ainsi, les physiciens l'ont supposé, ils pourraient être leurs propres antiparticules.
Lorsqu'une particule agit comme sa propre antiparticule, elle est appelée particule Majorana.
"Les théories que nous avons actuellement ne nous disent tout simplement pas si les neutrinos sont de ce type Majorana. Et c'est une chose très intéressante à rechercher, car nous savons déjà qu'il nous manque quelque chose sur les neutrinos", a expliqué la physicienne théorique Sabine. Hossenfelder, membre de l'Institut de hautes études de Francfort en Allemagne, a déclaré à Live Science. Hossenfelder, qui ne fait pas partie de CUORE, fait référence aux caractéristiques bizarres inexpliquées des neutrinos.
Si les neutrinos sont des Majoranas, ils pourraient alors faire la transition entre la matière et l'antimatière. Si la plupart des neutrinos se sont transformés en matière ordinaire au début de l'univers, selon les chercheurs, cela pourrait expliquer pourquoi la matière l'emporte sur l'antimatière aujourd'hui - et pourquoi nous existons.
L'expérience CUORE
L'étude des neutrinos dans un laboratoire typique est difficile, car ils interagissent rarement avec d'autres matières et sont extrêmement difficiles à détecter - des milliards passent à travers vous sans être détectés chaque minute. Il est également difficile de les distinguer des autres sources de rayonnement. C'est pourquoi les physiciens devaient aller sous terre - près d'un mile (1,6 kilomètre) sous la surface de la Terre - où une sphère d'acier géante renferme un détecteur de neutrinos géré par le Laboratoire national du Gran Sasso de l'Institut national italien de physique nucléaire.
Ce laboratoire est le siège de l'expérience CUORE, qui recherche des preuves d'un processus appelé désintégration bêta double sans neutrinol - une autre façon de dire que les neutrinos agissent comme leurs propres antiparticules. Dans un processus normal de désintégration double bêta, un noyau se désintègre et émet deux électrons et deux antineutrinos. Cependant, la désintégration en double bêta sans neutrinos n'émettrait pas d'antineutrinos, car ces antineutrinos pourraient servir de leurs propres antiparticules et s'anéantiraient mutuellement.
Dans leur tentative de «voir» ce processus, les physiciens ont surveillé l'énergie émise (sous forme de chaleur) pendant la désintégration radioactive d'un isotope du tellure. Si une désintégration double bêta sans neutrinos se produisait, il y aurait un pic à un certain niveau d'énergie.
Pour détecter et mesurer avec précision cette énergie thermique, les chercheurs ont conçu le mètre cube le plus froid de l'univers connu. Ils le comparent à un énorme thermomètre avec près de 1000 cristaux de dioxyde de tellure (TeO2) fonctionnant à 10 milli-kelvin (mK), ce qui est de moins 459,652 degrés Fahrenheit (moins 273,14 degrés Celsius).
Alors que les atomes de tellure radioactifs se désintègrent, ces détecteurs recherchent ce pic d'énergie.
"L'observation que les neutrinos sont leurs propres antiparticules serait une découverte importante et nous obligerait à réécrire le modèle standard communément admis de la physique des particules. Cela nous indiquerait qu'il existe un mécanisme nouveau et différent pour que la matière ait une masse", a déclaré le chercheur de l'étude Karsten. Heeger, professeur à l'Université de Yale, a déclaré à Live Science.
Et même si CUORE ne peut pas prouver définitivement que le neutrino est sa propre antiparticule, la technologie utilisée dans l'étude peut avoir d'autres utilisations, a déclaré Lindley Winslow, professeur adjoint de physique au Massachusetts Institute of Technology et membre de l'équipe CUORE.
"La technologie qui refroidit CUORE jusqu'à 10 mK est la même que celle utilisée pour refroidir les circuits supraconducteurs pour l'informatique quantique. La prochaine génération d'ordinateurs quantiques peut vivre dans un cryostat de style CUORE. Vous pourriez nous appeler les premiers à adopter", a déclaré Winslow à Live. Science.
