Les lois de la physique sont-elles véritablement les mêmes partout dans l’Univers ? Ce principe fondamental, appelé invariance de Lorentz, est au cœur de la théorie de la relativité d’Einstein. Pourtant, certaines théories qui cherchent à réconcilier la gravité avec la physique quantique suggèrent qu’il pourrait ne pas toujours être vérifié.
Pour explorer cette possibilité, des chercheurs de la collaboration internationale KM3NeT ont analysé 5 828 événements candidats de neutrinos atmosphériques détectés par KM3NeT/ORCA, un télescope à neutrinos situé au fond de la mer Méditerranée. Ils n’ont trouvé aucune preuve de violation, mais ont pu établir de nouvelles limites expérimentales sur l’ampleur que pourraient avoir de tels effets, notamment les premières contraintes directes sur certaines différences possibles de comportement entre neutrinos muoniques et tauïques.
L’espace-temps pourrait-il être différent de ce que nous pensons ?
Pourquoi s’interroger sur un principe aussi fondamental ? Une raison tient à la recherche d’une théorie de la gravité quantique, capable de réconcilier la relativité générale avec la physique quantique. Certaines approches théoriques suggèrent que l’espace-temps, que nous considérons normalement comme continu, pourrait en réalité être constitué d’unités discrètes extrêmement petites. Cela pourrait avoir des implications profondes pour les lois de la physique, notamment d’éventuelles violations de l’invariance de Lorentz.
« Nous ne savons toujours pas si notre espace-temps est continu ou s’il pourrait être discret », explique Alba Domi, chercheuse au Erlangen Centre for Astroparticle Physics (ECAP) de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, et l’une des deux auteures correspondantes de l’étude. « Chercher des violations de l’invariance de Lorentz est une manière d’explorer cette possibilité. »
Les neutrinos sont des sondes particulièrement prometteuses pour détecter les signes d’une telle nouvelle physique, explique Alba Domi. Ces particules minuscules interagissent rarement avec la matière, ce qui leur permet de parcourir d’immenses distances, y compris à travers la Terre. Elles possèdent aussi une propriété remarquable : elles peuvent passer d’un type, ou « saveur » (c’est le terme employé par les scientifiques), à un autre au cours de leur trajet, un phénomène connu sous le nom d’oscillation des neutrinos. La probabilité de ces transformations peut être prédite avec une grande précision. Si le comportement observé diffère de ces prédictions, cela pourrait être le signe d’une nouvelle physique, incluant potentiellement une violation de l’invariance de Lorentz.
Pour rechercher de tels écarts, les chercheurs ont analysé 1,4 an de données collectées avec les six premières unités de détection de KM3NeT/ORCA, en comparant les énergies observées des neutrinos et leurs directions d’arrivée aux prédictions théoriques.
Nouvelles limites, nouvelles possibilités
Les chercheurs n’ont trouvé aucune preuve de violation de l’invariance de Lorentz. Cela ne signifie toutefois pas que de telles violations soient impossibles : leurs résultats établissent de nouvelles limites sur l’ampleur que pourraient avoir certains effets sans contredire les observations. Bien qu’obtenus avec une configuration précoce et partielle du détecteur, les résultats sont compétitifs par rapport à ceux d’expériences de longue durée comme IceCube et Super-Kamiokande. Pour la première fois, ils ont également établi des limites directes sur certains effets possibles de violation de l’invariance de Lorentz impliquant deux saveurs de neutrinos, muonique et tauïque, et la manière dont les neutrinos oscillent entre elles.
Ces résultats sont particulièrement prometteurs si l’on considère qu’au moment de la collecte des données, ORCA était encore à un stade précoce de sa construction et n’exploitait que six unités de détection. Le détecteur est toujours en cours d’extension vers sa configuration complète prévue [voir encadré].
« Ces résultats montrent le potentiel de KM3NeT/ORCA pour tester des principes fondamentaux de la physique, même avec un détecteur relativement petit », déclare Lukas Hennig, doctorant à l’ECAP et autre auteur correspondant de l’étude. « Avec davantage de données et un détecteur qui s’étend, nous pourrons rechercher des effets encore plus faibles. »
À l’avenir, les chercheurs espèrent étendre leurs recherches à KM3NeT/ARCA, qui se concentre sur des neutrinos d’énergie bien plus élevée provenant de sources astrophysiques lointaines. De tels neutrinos pourraient être particulièrement prometteurs pour ces recherches, car certains effets possibles de violation de l’invariance de Lorentz deviennent plus prononcés sur de très longues distances et à plus hautes énergies. « ARCA pourrait être particulièrement bien adapté à ce type de recherche, mais nous ne disposons pas encore d’assez d’événements de neutrinos astrophysiques pour réaliser une telle analyse », explique Alba Domi.
L’importance croissante de la recherche sur les neutrinos de haute énergie a récemment été reconnue par le prix Nobel de physique 2026, décerné à Francis Halzen pour ses contributions pionnières à l’Observatoire de neutrinos IceCube et à la découverte de neutrinos de haute énergie venus de l’espace.
L’analyse a été menée dans le cadre de la bourse postdoctorale Marie Skłodowska-Curie (QGRANT) d’Alba Domi, financée par le programme Horizon Europe de l’Union européenne.
KM3NeT : deux détecteurs, deux missions scientifiques
KM3NeT est une infrastructure de recherche internationale en construction en mer Méditerranée. Elle se compose de deux télescopes à neutrinos sous-marins, ORCA et ARCA, qui utilisent des réseaux de capteurs de lumière très sensibles installés à grande profondeur pour détecter les faibles flashs de lumière produits lorsque les neutrinos interagissent avec la matière.
ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) est situé à environ 40 km au large de Toulon, en France, à une profondeur d’environ 2 450 mètres. Il est conçu pour étudier les neutrinos produits dans l’atmosphère terrestre, en se concentrant sur leur oscillation entre les différentes saveurs.
ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss) est situé au large de la Sicile, près de Portopalo di Capo Passero, à une profondeur d’environ 3 500 mètres. Il se concentre sur des neutrinos d’énergie bien plus élevée provenant de sources astrophysiques lointaines, aidant les scientifiques à étudier certains des phénomènes les plus énergétiques de l’Univers.
Les deux détecteurs se complètent, permettant à KM3NeT d’étudier les neutrinos sur une large gamme d’énergies.
Article : Atmospheric neutrino constraints on Lorentz invariance violation with the first six detection units of KM3NeT/ORCA – Journal : Journal of Cosmology and Astroparticle Physics – Méthode : Data/statistical analysis
Source : Sissa Medialab
