La découverte de l’anomalie du Gallium : un nouveau particule en physique

Patrick Lesggie

Par le Département de l’Énergie des États-Unis, le 13 janvier 2024

Les scientifiques de l’expérience BEST ont détecté un déficit dans la production de germanium 71 liée aux interactions des neutrinos, suggérant l’existence possible du neutrino stérile. Cette anomalie, cohérente avec les découvertes précédentes, remet en question les théories existantes et pourrait indiquer de nouvelles lois de la physique ou des erreurs expérimentales non résolues.

L’expérience de Baksan sur les transitions stériles (BEST) trouve des preuves du neutrino stérile, une particule hypothétique qui interagit uniquement par la gravité.

Les scientifiques ont confirmé une possible découverte d’une nouvelle particule élémentaire, le neutrino stérile. Si ces particules existent, elles interagissent uniquement par la gravité, et non par l’une des autres forces du Modèle Standard de la Physique des Particules.

Les résultats de l’Expérience de Baksan sur les Transitions Stériles (BEST) confirment une anomalie trouvée dans des expériences antérieures sur la source de neutrinos solaires. BEST a irradié un réservoir de gallium, un métal argenté doux qui est liquide à température ambiante, en utilisant une source intense de neutrinos provenant de la désintégration du chrome radioactif. Les neutrinos réagissent dans le gallium pour produire l’isotope germanium 71. Cet isotope peut être extrait du gallium et compté.

Les chercheurs ont trouvé des quantités de germanium significativement plus faibles que prévu en fonction de la physique nucléaire connue. Les scientifiques avaient trouvé une anomalie similaire dans le gallium dans une expérience précédente.

Démêler le mystère des neutrinos

L’expérience a montré que le rendement du germanium 71 était de 20 % à 24 % inférieur aux prévisions, en fonction de l’intensité de la source de neutrinos et des connaissances des scientifiques sur la manière dont les neutrinos sont absorbés. Ces découvertes contrecarrent les prédictions théoriques. Cependant, elles sont cohérentes avec les résultats antérieurs sur ce que les scientifiques appellent l’anomalie du gallium.

Les chercheurs ont divisé la cible en volumes intérieurs et extérieurs pour rechercher un indicateur d’oscillations de neutrinos. Il s’agit d’un phénomène connu dans lequel un neutrino électronique se transforme en une autre « saveur », telle qu’un neutrino muonique, résultant de neutrinos ayant une masse. Les chercheurs n’ont pas observé de signes de ces oscillations. L’origine de l’anomalie reste un mystère.

Construction de l'appareil BEST

L’appareil BEST en construction. Cette image montre le réservoir intérieur, avec un chercheur de BEST debout dans le réservoir extérieur. Crédit : A.A. Shikhin

Expérience BEST : une plongée profonde dans le comportement des neutrinos

BEST est une expérience située à plus d’un mile sous terre, dans l’Observatoire de Neutrinos de Baksan, dans les montagnes du Caucase en Russie. Elle a été conçue pour explorer le déficit de neutrinos électroniques (ne) précédemment signalé dans les quatre expériences de calibration réalisées par les collaborations de neutrinos solaires SAGE et GALLEX. Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé environ 47 tonnes métriques de métal de gallium liquide (Ga), divisé en deux zones concentriques, comme cible pour l’absorption de neutrinos via la réaction 71Ga (ne,e)71Ge. Ils ont placé la source de neutrinos de chrome-51 au centre de la cible de gallium, irradiant les deux zones. Comme la longueur du chemin des neutrinos dans chaque zone est d’environ un mètre, BEST a une sensibilité élevée aux oscillations se produisant à cette échelle, correspondant à des différences dans le carré des masses des neutrinos d’environ 1 eV2 (une quantité très faible dans le monde de la physique nucléaire). Les chercheurs ont mesuré la puissance de la source par calorimétrie et d’autres méthodes avec une précision de plus de 1 %. La section efficace d’absorption des neutrinos a une valeur minimale déterminée par la durée de vie connue de la capture d’électrons du germanium 71.

La persistance de cette anomalie est déconcertante. Elle pourrait indiquer soit un artefact expérimental non identifié qui a jusqu’à présent échappé à la découverte, soit de nouvelles lois de la physique capables d’expliquer un déficit inattendu de neutrinos.

Références :

“Résultats de l’Expérience Baksan sur les Transitions Stériles (BEST)” par V. V. Barinov et al., 9 juin 2022, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.232501

“Recherche de transitions des neutrinos électroniques vers des états stériles dans l’expérience BEST” par V. V. Barinov et al., 9 juin 2022, Physical Review C.
DOI: 10.1103/PhysRevC.105.065502

Ce travail est soutenu par le Département de l’Énergie, Bureau de la Science, Bureau de la Physique Nucléaire, et par l’Agence Fédérale pour les Organisations Scientifiques, le Ministère de l’Éducation et des Sciences de la Fédération de Russie, la Société d’État pour l’Énergie Atomique Rosatom.