L’expérience ne trouve aucun signe de neutrinos stériles

Nous ne savons pas ce qu’est la matière noire. Nous connaissons les caractéristiques de la matière noire et une grande partie de son comportement, nous savons donc quelles propriétés physiques la matière noire doit avoir, mais aucune matière connue n’a toutes les caractéristiques nécessaires de la matière noire. Nous sommes donc perplexes.

Ce qui s’en rapproche le plus, ce sont les neutrinos. Ils n’interagissent que faiblement avec les autres matières et n’interagissent pas fortement avec la lumière, ils peuvent donc être considérés comme une forme de matière noire. Le seul problème est que les trois variétés connues de neutrinos ont toutes des masses extrêmement faibles. Pour cette raison, ils parcourent le cosmos presque à la vitesse de la lumière. Cela signifie que les neutrinos sont une forme de matière noire «chaude», tout comme un gaz chaud est composé de molécules en mouvement rapide. Sur la base d’observations de matière noire telles que l’amas de galaxies, nous savons que la matière noire cosmique doit être majoritairement froid. Les neutrinos peuvent constituer une petite partie de la matière noire, mais la plupart de la matière noire doit être autre chose.

Mais parce que les neutrinos sont si près de satisfaire les propriétés de la matière noire, certains scientifiques ont avancé que la matière noire pourrait être une variété encore inconnue connue sous le nom de neutrinos stériles. Comme les autres particules élémentaires, les neutrinos ont une caractéristique appelée hélicité. Fondamentalement, un neutrino peut tourner dans le sens des aiguilles d’une montre le long de sa direction de mouvement (hélicité à gauche) ou dans le sens inverse des aiguilles d’une montre le long de son mouvement (à droite). La plupart des particules peuvent avoir l’un ou l’autre type d’hélicité, mais les neutrinos sont étranges. Nous ne voyons que des neutrinos gauchers et des anti-neutrinos droitiers.

Cela signifie que s’il existe des neutrinos droitiers, ils n’interagissent pas avec la matière ordinaire, mais uniquement avec la gravité. Ainsi, ils sont « stériles ». Et s’ils ont une masse significativement plus importante que les neutrinos ordinaires, les neutrinos stériles seraient « froids » et pourraient être la solution au problème de la matière noire. C’est une excellente idée, mais malheureusement, comme le montre une nouvelle étude, cela ne semble pas être vrai.

Cette nouvelle étude a examiné les données de la collaboration MicroBooNE du Fermilab. Les neutrinos ont été transmis au détecteur MicroBooNE pour voir quels types d’interactions se sont produits avec la matière ordinaire. Des études antérieures telles que l’expérience Liquid Scintillator Neutrino Detector à Los Alamos et le MiniBooNE de Fermilab avaient détecté plus d’événements que le modèle standard ne le prédit. Une solution possible à ce mystère est que les neutrinos stériles interagissant avec d’autres neutrinos créent un excès d’électrons dans les événements observés. Une autre possibilité est que les photons d’arrière-plan faussent les données. La collaboration MicroBooNE est suffisamment précise pour examiner l’une ou l’autre de ces options et écarter étonnamment les deux options. Les données excluent les photons de fond avec une confiance de 95 % et les neutrinos stériles avec une confiance de 99 %.

Si l’excès précédent observé dans MiniBooNE est un effet réel (et nous n’avons aucune raison de penser que ce n’est pas le cas), alors quelque chose d’étrange se passe. Les neutrinos stériles peuvent encore exister, mais leurs interactions doivent être plus subtiles que les modèles ne le prévoient. Il pourrait également y avoir des interactions complexes entre les neutrinos réguliers qui ne sont actuellement pas pris en compte dans le modèle standard. Quoi qu’il en soit, il y a beaucoup plus à comprendre, et nous avons seulement commencé à faire la lumière sur la réponse.

Référence: P. Abratenko, et al. « Recherche de la désintégration radiative delta du courant neutre induite par les neutrinos dans MicroBooNE et premier test de l’excès de faible énergie MiniBooNE sous une hypothèse à photon unique.  » préimpression arXiv arXiv : 2110.00409 (2021).

La source: Univers aujourd’hui, par le Dr Brian Koberlein.

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