Un télescope de détection de particules coulé à plus d’un mile sous la mer au large des côtes françaises a testé un principe fondamental de la relativité d’Einstein et n’a trouvé aucune fissure.
Le détecteur, appelé Recherche sur l’oscillation avec Cosmics in the Abyss (ORCA)détecte des particules insaisissables appelées neutrinos. En tant que doctorant, Alba Domi est monté sur la Méditerranée à bord de l’un des deux bateaux qui ont contribué à la construction du télescope, abaissant certaines de ses premières unités de détection au fond de la mer à environ 2,4 kilomètres sous les vagues au large de Toulon, en France.
Aujourd’hui, les données de ces premières unités de détection ont été utilisées pour tester l’une des règles fondatrices de la relativité d’Einstein : l’idée selon laquelle les lois de la nature se ressemblent quelle que soit la direction dans laquelle vous vous dirigez ou la vitesse à laquelle vous vous déplacez.
L’équipe n’a trouvé aucun signe indiquant que cette règle, appelée invariance de Lorentz, soit enfreinte. Mais même avec un détecteur ne faisant qu’une fraction de sa taille prévue, ils fixent des limites qui rivalisent avec celles d’expériences bien plus vastes et de plus longue durée.
Les résultats ont été publiés mercredi 4 novembre dans le Journal de cosmologie et de physique des astroparticules.
Une fissure dans l’espace-temps ?
La physique repose sur deux théories à succès : relativité généraleconçu par Albert Einstein il y a plus de 100 ans, et le Modèle standard de la physique subatomique.
« La relativité générale décrit bien l’univers à l’échelle cosmique, et le modèle standard de la physique des particules décrit l’échelle microscopique ; en fait, les particules individuelles, comment elles se comportent », a déclaré le co-auteur de l’étude. Lucas Hennigdoctorant en physique avancée à Erlangen-Nürnberg.
Les deux théories supposent que l’invariance de Lorentz est vraie. Mais dans des contextes extrêmes, comme les premiers instants après le Big Bangles deux théories ne concordent pas. Cela a alimenté une recherche de plusieurs décennies d’une théorie de la gravité quantique qui les unirait. Certains candidats, y compris les versions de théorie des cordes et la gravité quantique en boucle, suggèrent que l’espace-temps pourrait avoir un « grain » caché aux plus petites échelles – et que l’invariance de Lorentz, « l’une des hypothèses les plus fondamentales que nous faisons à propos de notre univers, pourrait être violée », a déclaré Hennig.
Une telle violation serait extrêmement minime. Pour le repérer, les physiciens auraient besoin d’une sonde capable de parcourir de longues distances et d’interagir à peine avec quoi que ce soit sur le chemin. Entrez le neutrino.
Des fantômes qui changent de forme
Neutrinos sont des particules presque sans masse qui traversent la Terre chaque seconde et ne portent aucune charge. Ils interagissent à peine avec quoi que ce soit et se déclinent en trois types : les neutrinos électroniques, muoniques et tau. Au fur et à mesure que les neutrinos se déplacent, ils passent d’un type à un autre selon un schéma prévisible que les physiciens appellent l’oscillation des neutrinos.
Si l’invariance de Lorentz était brisée, cette oscillation changerait, l’effet devenant de plus en plus prononcé à mesure que les neutrinos voyageaient. L’équipe s’est donc concentrée sur les neutrinos créés lorsque les rayons cosmiques frappent l’atmosphère ailleurs sur le globe avant de remonter à travers la planète jusqu’au détecteur. Certains des neutrinos testés ont traversé toute la largeur de la Terre, soit 12 700 km.
ORCA fait partie du Télescope à neutrinos KM3NeT. Chacune de ses unités de détection est ancrée au fond marin et contient 18 sphères de verre remplies de 31 capteurs de lumière chacun. Lorsqu’un neutrino entre en collision avec une particule dans l’eau, il produit un léger éclair de lumière bleue capté par les capteurs. Les nombreux capteurs présents dans chaque sphère aident l’équipe à déterminer la direction d’où vient la lumière, a expliqué Domi.
La Terre elle-même sert de filtre. Les chercheurs ont sélectionné uniquement les particules voyageant vers le haut à travers la planète et ont pu éliminer le flot d’autres particules de l’atmosphère qui autrement submergeraient le signal. « Seuls les neutrinos peuvent passer », a déclaré Hennig.
Cette configuration diffère de celle de Glaçonle Lauréat du prix Nobel détecteur enfoui dans la glace de l’Antarctique. « La glace diffuse plus la lumière que l’eau, mais d’un autre côté, l’eau absorbe plus la lumière que la glace », a déclaré Domi, ce qui change la façon dont chaque équipe reconstruit l’énergie et la trajectoire d’un neutrino.
Petit mais puissant
Les chercheurs ont utilisé 5 828 neutrinos collectés sur environ 17 mois entre 2020 et 2021. Ils ont constaté que les oscillations correspondaient à la physique standard. Cela signifie que si une violation de Lorentz existe, elle doit être plus faible que les limites fixées par l’équipe.
Ces limites comptent pour les théoriciens. Si un modèle « prédit une violation de l’invariance de Lorentz (plus forte que les nouvelles limites), les données l’excluent. Dans ce cas, vous pouvez être presque sûr que ce modèle n’est pas correct », a déclaré Hennig.
L’équipe a également fixé les premières limites directes d’un type de violation qui traiterait différemment les neutrinos du muon et les neutrinos du tau.
Les limites du détecteur sur plusieurs mesures clés sont compétitives avec celles de Le Super-Kamiokande du Japonqui a utilisé 12 ans de données, et d’IceCube, qui a utilisé deux années de données à partir de sa gamme complète.
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« Je suis surpris que nous obtenions des résultats compétitifs avec seulement six unités de détection », a déclaré Hennig. Aujourd’hui, 44 unités sont à l’eau et la collaboration prévoit d’en activer 108 d’ici 2030.
Les meilleurs tests sont peut-être encore à venir. Parce que les effets de violation de Lorentz augmentent avec la distance et l’énergie, les neutrinos provenant de sources cosmiques lointaines sont « en fait les meilleurs candidats pour faire ce type de recherche », a déclaré Domi. L’équipe prévoit de répéter la recherche en utilisant le détecteur jumeau d’ORCA, ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss), situé au large des côtes de la Sicile et conçu pour attraper ces voyageurs cosmiques à haute énergie.
Si l’espace-temps possède un grain, ces particules pourraient être parmi les premières à le ressentir.
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