MicroBooNE ne trouve aucune preuve de l’existence du ‘neutrino stérile’

Il y a moins de 5 % de chances que les anomalies des expériences antérieures sur les neutrinos puissent s’expliquer par l’existence d’une seule nouvelle particule

Les scientifiques ferment la porte à une explication d’un mystère qui hante la physique des particules depuis des décennies. Une collaboration internationale de scientifiques, qui inclut des chercheurs de l’Université du Michigan, annonce n’avoir trouvé aucune preuve d’un soi-disant neutrino stérile.

Cette nouvelle particule avait été proposée pour expliquer les résultats d’expériences menées depuis le tournant du 21e siècle environ, qui ne pouvaient être conciliés avec les trois seuls neutrinos connus. Cependant, l’expérience de pointe MicroBooNE au Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) du département américain de l’Énergie a maintenant exclu le neutrino stérile comme solution à ce problème avec une certitude de 95 %. L’équipe de recherche a publié ses résultats dans la revue Nature.

« MicroBooNE est exposé à deux faisceaux de neutrinos différents tout en utilisant le même détecteur. Cela procure une sensibilité supplémentaire et accrue, car on évite les incertitudes systématiques qui viendraient de l’utilisation de détecteurs différents« , explique Joshua Spitz , professeur de physique à l’Université du Michigan et collaborateur travaillant sur MicroBooNE depuis sa création.

« Et la conclusion est, fondamentalement, que nous ne voyons rien d’inattendu. Nous sommes en mesure d’exclure le neutrino stérile comme explication des anomalies observées dans les expériences antérieures« , ajoute-t-il.

Anomalies

Les prédécesseurs de MicroBooNE avaient révélé que les neutrinos se comportaient d’une manière incompatible avec le Modèle Standard de la physique des particules, qui explique avec succès de nombreuses particules fondamentales et interactions à l’œuvre dans l’univers. Et, bien que le Modèle Standard soit un triomphe de la physique moderne, les scientifiques savent qu’il présente encore des lacunes.

« Le Modèle Standard fait un excellent travail pour décrire une multitude de phénomènes dans le monde naturel« , déclare Matthew Toups, scientifique principal au Fermilab et co-porte-parole de MicroBooNE. « Et en même temps, nous savons qu’il est incomplet. Il ne tient pas compte de la matière noire, de l’énergie noire ou de la gravité« , précise-t-il.

Lorsque les expériences sur les neutrinos ont commencé à montrer des incohérences avec le Modèle Standard, elles ont ouvert des voies passionnantes pour potentiellement découvrir une nouvelle physique et combler les déficits du Modèle Standard.

Selon le Modèle Standard, il existe trois types, ou saveurs, de neutrino : muon, électron et tau. Les neutrinos peuvent basculer ou osciller entre ces saveurs, changeant, par exemple, d’un neutrino muon en un neutrino électron. Les scientifiques étudient comment les neutrinos oscillent depuis des décennies, fournissant une base solide pour comprendre à quelle fréquence les neutrinos changent naturellement de saveur.

Le Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND) au Los Alamos National Laboratory a soulevé les premiers indices que notre compréhension n’était pas tout à fait alignée avec la réalité en 1995. Fermilab a ensuite lancé une expérience appelée MiniBooNE pour vérifier les résultats du LSND. Les deux expériences ont fait des observations suggérant que les neutrinos muon oscillaient en neutrinos électron sur des distances plus courtes que ce qui est possible avec seulement trois saveurs de neutrinos.

« Ils ont observé un changement de saveur sur une échelle de longueur qui n’est tout simplement pas compatible avec l’existence de seulement trois neutrinos« , affirme Justin Evans, professeur à l’Université de Manchester et co-porte-parole de MicroBooNE. « Et l’explication la plus populaire au cours des 30 dernières années pour expliquer l’anomalie est qu’il existe un neutrino stérile« , explique-t-il.

Maintenant, MicroBooNE a exclu cette explication.

Perspectives

Les chercheurs ont proposé d’autres hypothèses pour expliquer les anomalies, indique Spitz de l’Université du Michigan. Une ligne de pensée est qu’il existe des inconnues inconnues dans la conception, le fonctionnement ou l’interprétation des expériences précédentes qui donnent l’apparence d’oscillations trop courtes.

« L’autre voie est que l’on peut commencer à envisager l’existence de plus d’un neutrino stérile participant aux oscillations« , avance Spitz.

« Il pourrait aussi y avoir des explications autres que les neutrinos stériles« , souligne Benjamin Bogart, doctorant à l’Université du Michigan et co-auteur de la nouvelle étude. MicroBooNE et le plus récent Short-Baseline Neutrino Program (SBN) pourraient aider à explorer ces possibilités.

« Bien que nous ayons fermé la porte à un seul neutrino stérile léger, MicroBooNE et le SBN continuent d’ouvrir des portes sur toute une série d’autres scénarios – parfois plus complexes et plus intéressants – au-delà du Modèle Standard« , déclare t-il.

Le programme SBN ajoute une approche multidetecteurs puissante avec un détecteur proche et un détecteur éloigné pour déterminer si un modèle plus complexe pourrait expliquer les anomalies LSND et MiniBooNE. ICARUS, le détecteur éloigné du programme, a commencé à collecter des données de faisceau au Fermilab en 2021 et le Short-Baseline Near Detector (SBND) a commencé à collecter des données en 2024. Bogart et Spitz sont également collaborateurs sur l’expérience SBND.

Bien que ces expériences fournissent des aperçus inégalés sur le fonctionnement de l’univers, elles préparent également la prochaine génération d’experts. Par exemple, la moitié des chercheurs de MicroBooNE – qui implique près de 200 personnes de 40 institutions dans six pays – sont des étudiants ou des postdoctorants.

Bogart en fait partie.

« Je suis très reconnaissant de la façon dont les choses se sont déroulées dans la chronologie de mon doctorat, où j’ai énormément de données de MicroBooNE à analyser, confie Bogart, qui note que MicroBooNE a commencé à collecter des données alors qu’il était en seconde. Mais j’ai aussi pu aider à une partie de l’assemblage du SBND. Je me trouve donc pratiquement aux extrémités opposées des durées de vie de ces deux expériences, ce qui est une opportunité unique et spéciale dont je suis vraiment très reconnaissant« , conclut-il.

Article : « Search for light sterile neutrinos with two neutrino beams at MicroBooNE » – DOI : 10.1038/s41586-025-09757-7