Une incohérence de masse des neutrinos pourrait ébranler les fondements de la cosmologie.

Alors que l'univers juvénile se condensait sous l'attraction de la gravité, la matière s'est nouée en galaxies, amas de galaxies et filaments, tissant une toile cosmique incroyablement complexe. La structure de cette toile est en partie due au travail des neutrinos - des particules subatomiques légères qui traversent le cosmos en un nombre inimaginable.

Parce qu'ils se déplacent à grande vitesse et interagissent rarement avec d'autres matières, ces particules n'étaient pas facilement piégées dans le molasse gravitationnelle de ce réseau en treillis. Leur présence a balayé les toiles d'araignée, entravant la formation de détails fins dans cette dentelle cosmique.

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Les masses de neutrinos sont inférieures d'un millionième à celle de la prochaine particule la plus légère, l'électron, mais personne ne sait exactement quelle est leur masse. Ce sont les seules particules subatomiques fondamentales pour lesquelles cette propriété de base est inconnue, et certains chercheurs pensent que cette connaissance manquante pourrait ouvrir la voie à une nouvelle compréhension de la physique.

« Les neutrinos sont l'une des particules clés que nous comprenons moins bien que d'autres, mais qui ont néanmoins des conséquences cosmologiques profondes », explique le cosmologiste Miguel Escudero du laboratoire européen de physique des particules CERN près de Genève.

Le rôle surdimensionné de ces petites particules dans le façonnement de l'univers signifie qu'elles comblent le fossé entre le monde subatomique, généralement étudié dans les accélérateurs de particules ou les laboratoires de physique, et celui cosmologique discerné en observant les cieux. Ainsi, les scientifiques utilisent à la fois les observations de l'espace et les expériences sur le terrain pour tenter de résoudre ce mystère massif.

Mais si vous demandez à un cosmologiste combien pèsent les neutrinos et posez la même question à un physicien des particules, vous pourriez obtenir deux réponses différentes. Les méthodes des deux groupes pour évaluer ces masses montrent des signes de divergences.

Les données cosmolpgiques récentes collectées par l'Instrument de Spectroscopie de l'Énergie Sombre, ou DESI, favorisent des masses inattendument petites qui se rapprochent dangereusement de celles des expériences de physique des particules. En fait, certaines interprétations des données DESI suggèrent que les neutrinos n'ont pas de masse ou même une masse négative, normalement un concept interdit en physique.

Le résultat étrange a conduit les physiciens à examiner quelques idées tentantes - comme le fait que les masses des neutrinos pourraient changer au cours de l'histoire de l'univers, ou que les apparences de masses négatives sont une illusion causée par l'énergie sombre, le phénomène mystérieux qui provoque l'expansion de l'univers à un rythme accéléré.

DESI, situé à l'Observatoire National de Kitt Peak en Arizona, recueille des cartes détaillées de galaxies et d'autres objets. En avril, les scientifiques de DESI ont fait sensation en suggérant que la densité de l'énergie sombre pourrait changer au cours de l'histoire de l'univers. L'étrangeté des neutrinos a été éclipsée. Mais au cours des mois suivants, les physiciens ont réalisé que DESI pourrait également avoir de grandes implications pour les neutrinos.

Cependant, certains scientifiques pensent que la discordance des masses des neutrinos n'est pas révolutionnaire. Au lieu de cela, elle pourrait résulter de détails abstrus sur la manière dont les données cosmolpgiques sont analysées.

Mais si l'effet se maintient, il pourrait annoncer un changement massif. « Je pense que notre description de l'univers est trop simpliste », déclare le cosmologiste Eleonora Di Valentino de l'Université de Sheffield en Angleterre. « Maintenant que nous avons des mesures très fortes et sensibles... il est temps de la compliquer un peu. »

Les neutrinos se présentent sous trois variétés - neutrinos électroniques, neutrinos muoniques et neutrinos tau. Pour compliquer encore les choses, chaque type ne possède pas une masse définie mais transporte un mélange quantique de trois masses différentes.

Aujourd'hui, le triumvirat imprègne l'univers de centaines de millions de neutrinos par mètre cube, dépassant les protons d'un facteur d'environ un milliard. Dans le jeune univers, les particules étaient encore plus densément groupées.

Malgré leur poids extrêmement léger, il y a une force dans les nombres. Les particules ont lancé leur poids à travers le cosmos depuis des milliards d'années, gravant indélébilement le ciel nocturne de leur présence. Elles ont volé autour non seulement de la matière normale et visible qui compose les étoiles et d'autres objets spatiaux, mais aussi de la matière sombre, une source de masse mal comprise qui augmente le volume des galaxies dans l'univers.

Le nombre combiné des neutrinos a suffi non seulement pour altérer la toile cosmique, mais également pour influencer le taux d'expansion de l'univers. Ces deux facteurs permettent aux scientifiques d'évaluer les masses des neutrinos en regardant dans l'espace. Des masses de neutrinos plus importantes auraient entraîné une expansion plus rapide de l'univers et un cosmos moins grumeleux que des masses de neutrinos plus petites.

DESI cartographie les structures cosmiques pour déterminer ce taux d'expansion, à travers un effet connu sous le nom d'oscillations acoustiques des baryons, des ondes sonores qui ont imprimé des motifs circulaires sur l'univers très ancien. En traçant ces motifs à différents points de l'histoire de l'univers, les scientifiques peuvent suivre sa croissance, un peu comme les cernes d'un arbre cosmique.

En attendant, le fond cosmique micro-ondes, la lumière libérée 380 000 ans après le Big Bang, révèle l'agglomération du cosmos. Alors que la lumière du fond cosmique micro-ondes traverse l'espace, sa trajectoire est courbée par les poches de matière sur son chemin, un peu comme la lumière passant à travers une lentille. La quantité de ce lensing gravitationnel indique aux scientifiques à quel point le cosmos est aggloméré.

La combinaison des mesures d'agglomération du fond cosmique micro-ondes et du taux d'expansion de DESI - deux choses que les neutrinos affectent - permet aux scientifiques de cerner leur masse.

Les données de DESI, combinées aux données du fond cosmique micro-ondes du satellite Planck de l'Agence spatiale européenne, donnent une limite de masse pour les neutrinos. En particulier, la somme des trois masses de neutrinos est inférieure à environ 0,07 électron-volts au niveau de confiance de 95 pour cent, ont rapporté les chercheurs en ligne en avril sur arXiv.org. (Un électron-volt est une unité que les physiciens utilisent pour quantifier la masse. La masse d'un électron est d'environ 511 000 électrons-volts.)

En plus d'une limite supérieure de masse pour les neutrinos, il y a aussi une limite inférieure, basée sur des expériences de physique des particules en laboratoire. Ces expériences mesurent un phénomène appelé oscillations des neutrinos, qui résulte du fait que chaque type de neutrino est un mélange quantique de différentes masses. Le mélange de masses signifie que les neutrinos peuvent passer d'une variété à une autre pendant leur voyage (SN : 10/6/15). Ce qui commence comme un neutrino muonique pourrait être détecté plus tard comme un neutrino électronique.

Les détecteurs de neutrinos peuvent repérer ce changement de forme. Comme les oscillations dépendent de la relation entre les différentes masses de neutrinos, ces expériences ne peuvent pas mesurer directement les masses elles-mêmes. Mais elles indiquent que la somme des trois masses de neutrinos doit être supérieure à environ 0,06 électrons-volts.

Cela signifie que le rejet par DESI de masses de neutrinos supérieures à environ 0,07 électrons-volts est inquiétant car cela exclut presque entièrement la plage de masses autorisée par les expériences d'oscillation. La limite inférieure et supérieure sont presque en contact.

Il reste encore un peu de marge de manœuvre - une sorte d'espace de ramper, peut-être - pour que les masses de neutrinos vivent en harmonie à la fois avec la cosmologie et les expériences d'oscillation. Mais le résultat de DESI est surprenant pour d'autres raisons. Pour commencer, la valeur que DESI identifie comme la plus probable pour la somme des masses des neutrinos est zéro - aucune masse du tout.

De plus, lorsque des données cosmologiques supplémentaires sont ajoutées aux données de DESI et de Planck, telles que des catalogues d'étoiles en explosion qui évaluent également le taux d'expansion de l'univers, la limite supérieure de la masse diminue encore, à moins de 0,05 électrons-volts, ont rapporté Di Valentino et ses collègues le 25 juillet sur arXiv.org. L'espace de ramper est pratiquement éliminé, laissant les masses de neutrinos dans un purgatoire difficile à expliquer sans proposer de nouvelles idées sur le cosmos.

"Si l'on prend tout tel quel, ce qui est un énorme bémol..., alors clairement nous avons besoin d'une nouvelle physique", explique le cosmologiste Sunny Vagnozzi de l'Université de Trento en Italie, un autre auteur de l'article.

Même sans l'ajout des données sur les supernovae, le résultat de DESI, s'il est pris au sérieux, répondrait à une question majeure : lequel des neutrinos est le plus lourd ? Les trois masses de neutrinos sont labellisées de manière peu créative avec les numéros 1, 2 et 3. Dans un scénario possible appelé l'ordre normal, la masse 3 est plus lourde que les masses 1 et 2. Dans ce qu'on appelle l'ordre inversé, les masses 1 et 2 sont plus lourdes que 3. Une autre façon de poser le problème : y a-t-il deux masses de neutrinos relativement légères et une un peu plus lourde ou deux lourdes et une légère ?

Si l'ordre inversé est correct, les expériences d'oscillation impliquent que la somme des masses de neutrinos serait supérieure à 0,1 électron-volts. Si DESI réduit les masses de neutrinos à moins de 0,07 électron-volts, cela laisse non seulement peu de marge de manœuvre pour l'ordre normal, mais semble aussi pratiquement exclure l'ordre inversé.

"C'est pourquoi tout le monde s'emballe", explique la cosmologiste Licia Verde de l'Université de Barcelone, membre de la collaboration DESI.

Eliminer l'ordre inversé serait important, avec des répercussions sur une multitude de théories et d'expériences. L'ordre est si important que les scientifiques ont conçu une énorme expérience - l'Observatoire de Neutrinos Souterrains de Jiangmen en Chine, prévu pour démarrer cette année - dans le but de le mesurer. Mais les physiciens des particules ne modifient pas leurs plans, et personne ne sort le champagne pour célébrer la disparition de l'ordre inversé.

La raison en est que le plafond de masse de DESI a dépassé les attentes. "C'était trop bon", dit le cosmologiste Daniel Green de l'Université de Californie, San Diego. Compte tenu de la quantité de données collectées par DESI, les scientifiques auraient pu s'attendre à une limite supérieure deux fois plus importante, fixant la masse à moins d'environ 0,18 électrons volts, dit-il, laissant ainsi la possibilité de l'ordre inversé intacte et préservée. En fait, on ne s'attendait pas à ce que DESI puisse exclure l'ordre inversé — si l'ordre inversé était incorrect — avant qu'il ait collecté plusieurs années de données supplémentaires. Cela a rendu les physiciens soupçonneux qu'autre chose se passe. Si les scientifiques prennent au sérieux la préférence de DESI pour une masse nulle des neutrinos, il existe quelques façons de l'expliquer, malgré le fait que les neutrinos en laboratoire ont indiscutablement une masse. Les neutrinos pourraient se désintégrer en d'autres particules ou s'annihiler mutuellement, suggèrent Green et ses collègues dans un article accepté dans le Journal of High Energy Physics. Ou peut-être que les masses des neutrinos varient dans le temps. Mais il y a une possibilité encore plus folle que la masse nulle : la masse négative. Green soupçonnait que "tout ce comportement étrange était dû au fait que les données étaient en réalité allées dans la mauvaise direction. [Les données] voyaient l'‘inverse’ d'un neutrino." À savoir, un neutrino avec une masse négative. Alors que les neutrinos avec une masse positive rendent l'univers moins compact, DESI et Planck pourraient trouver l'inverse, un univers plus compact que prévu, ce qui signifie une variation plus importante que prévu de la densité de matière d'un endroit à l'autre. Cela pourrait être conceptualisé par un neutrino bizarre avec une masse négative. Dans l'analyse de DESI, les scientifiques n'ont pas permis que la masse du neutrino devienne négative. Peut-être que DESI est tombé sur zéro seulement parce qu'on l'empêchait d'aller plus bas. Donc Green et ses collègues ont ajusté l'analyse pour permettre des masses négatives. Les chercheurs ont rapporté que l'analyse convergeait vers -0,16 électrons volts. D'autres ont trouvé un soutien similaire pour des masses négatives de neutrinos. C'est "un peu fou à dire", dit le cosmologiste Willem Elbers de l'Université de Durham en Angleterre. Les masses négatives en physique sont difficiles à définir et à incorporer dans les théories, provoquant toutes sortes de conflits dans les équations. "Nous ne pensons pas vraiment que la masse du neutrino est négative", dit Elbers. Au lieu de cela, "c'est le symptôme d'un problème dans les données ou dans les hypothèses que nous faisons sur l'évolution de l'univers." La masse négative pourrait être un mirage de l'énergie sombre, suggèrent Elbers et ses collègues. L'image standard de l'univers suppose que l'énergie sombre a une densité constante, ce qu'on appelle une constante cosmologique. Alors que les données de DESI laissent entendre que l'énergie sombre est dynamique — que sa densité change au fil du temps — le nombre de masse des neutrinos de DESI a été déterminé en supposant une constante cosmologique. Permettre une énergie sombre dynamique résout le problème de la masse des neutrinos, ont rapporté Elbers et ses collègues en ligne le 15 juillet sur arXiv.org. "Cela déplace en réalité la valeur la plus probable de quelque chose de négatif et non physique à quelque chose qui est juste" conclut Elbers : 0,06 électrons volts. Mais toute énergie sombre dynamique n'est pas identique. Les modèles les plus simples d'énergie sombre dynamique, comme ceux utilisés par DESI et par Elbers et ses collègues, permettent à l'énergie sombre de devenir "fantôme", une situation inattendue, théoriquement. Dans les théories préférées des scientifiques, la densité de l'énergie sombre reste constante ou se dilue à mesure que l'espace s'étend. Avec l'énergie sombre fantôme, la densité augmente au lieu de diminuer. Ce type d'énergie sombre est considéré comme moins plausible — il est difficile à expliquer dans le cadre des théories de la physique standard. Utiliser un modèle dans lequel la variation de l'énergie sombre est interdite de devenir fantôme a effectivement aggravé le désaccord sur la masse du neutrino, ont rapporté Vagnozzi, Di Valentino et leurs collègues dans leur article. Cela laisse les scientifiques sans explication cosmologique gagnante sur la raison pour laquelle les masses des neutrinos sont plus petites que prévu. Plutôt que de repenser l'univers, certains scientifiques reconsidèrent les données. Des problèmes subtils dans les données du fond diffus cosmologique pourraient fausser les choses, soupçonnent certains chercheurs. En particulier, les données de Planck sont connues pour montrer un excès inattendu de lentilles gravitationnelles, cette courbure de la lumière du fond diffus cosmologique qui aide les scientifiques à déduire les masses des neutrinos. Plus de lentilles gravitationnelles sont également ce à quoi l'on s'attendrait de neutrinos avec des masses négatives. En fait, des tentatives antérieures d'estimer les masses des neutrinos en utilisant les données de Planck combinées à un prédécesseur de DESI ont également abouti à des estimations inattenduesment faibles. Peut-être que Planck est le problème. Une version mise à jour des données de Planck, utilisant différentes méthodes pour cartographier le fond diffus cosmologique, réduit ces lentilles gravitationnelles excessives.Une analyse basée sur ces données Planck mises à jour, et en éliminant deux points de données aberrants DESI, a éliminé la preuve de masses négatives de neutrinos, ont rapporté Escudero et ses collègues en ligne le 18 juillet sur arXiv.org.

Étant donné cela, Escudero dit : "il semble prématuré de conclure qu'il y a une tension entre la valeur minimale des masses de neutrinos que nous connaissons du laboratoire et le manque de détection des masses de neutrinos en cosmologie."

Mais, note-t-il, l'analyse n'a toujours trouvé aucune preuve d'une masse positive pour les neutrinos.

Les mesures cosmologiques de la masse des neutrinos reposent sur une variété d'observations, et elles dépendent de la justesse de la théorie des scientifiques sur le cosmos. S'il manque un maillon quelque part, cela rend les estimations de masse des neutrinos peu fiables. Ainsi, à l'avenir, les scientifiques espèrent mesurer directement la masse des neutrinos, sur Terre.

L'expérience KATRIN à Karlsruhe, en Allemagne, cherche l'influence des masses de neutrinos sur les désintégrations radioactives du tritium, une forme lourde d'hydrogène (SN : 21/4/21). Lorsque le noyau de tritium se désintègre, il émet un antineutrino (le jumeau de la matière d'un neutrino) et un électron. KATRIN vise à détecter l'effet des masses des antineutrinos sur les énergies des électrons libérés lors de la désintégration.

Mais même si des expériences comme celles-ci pourraient théoriquement mesurer la masse des neutrinos, leurs résultats ne sont pas aussi précis que ceux de la cosmologie. La somme des masses des neutrinos doit être inférieure à 1,35 électron-volts au niveau de confiance de 90%, ont rapporté les chercheurs de KATRIN en ligne en juin sur arXiv.org. C'est une limite beaucoup moins stricte que celle imposée par la cosmologie sur la masse. Donc, même si les expériences directes sont considérées comme plus fiables, elles n'apprennent pas vraiment aux scientifiques quelque chose qu'ils ne savaient déjà. Les futures expériences directes pourront affiner davantage la masse des neutrinos, mais si les masses de neutrinos sont aussi minuscules que le pensent les cosmologistes, il faudra des avancées technologiques sérieuses.

Néanmoins, la possibilité de mieux comprendre certaines des particules les plus mystérieuses de l'univers est alléchante. "Je trouve particulièrement intéressant que regarder le ciel puisse vous dire quelque chose sur une particule qui est si légère, minuscule et petite, et subatomique", dit Verde.

Et si les scientifiques peuvent trouver un accord entre les neutrinos sur Terre et dans l'espace, ils auront une confiance supplémentaire que leur théorie de l'univers est correcte, déclare Verde. "Si vous pouvez construire une image où tout s'emboîte, en combinant à la fois des expériences qui étudient directement l'infiniment petit et des expériences qui examinent le très grand, cela offre également un soutien à l'image elle-même."

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N. Craig et al. No νs is good news. Journal of High Energy Physics. À paraître, 2024.

J.-Q. Jiang et al. Neutrino cosmology after DESI: tightest mass upper limits, preference for the normal ordering, and tension with terrestrial observations. arXiv:2407.18047. Soumis le 25 juillet 2024.

D. Naredo-Tuero et al. Living at the edge: a critical look at the cosmological neutrino mass bound. arXiv:2407.13831. Soumis le 18 juillet 2024.

W. Elbers et al. Negative neutrino masses as a mirage of dark energy. arXiv:2407.10965. Soumis le 15 juillet 2024.

Collaboration DESI. DESI 2024 VI: Contraintes cosmologiques à partir des mesures des oscillations acoustiques des baryons. arXiv:2404.03002. Soumis le 3 avril 2024.

L'écrivaine en physique Emily Conover est titulaire d'un doctorat en physique de l'Université de Chicago. Elle a remporté deux fois le prix des brièves d'actualités de l'Association des écrivains scientifiques de D.C.

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