De la théorie aux données - à l’assaut des modèles de masse des neutrinos avec le LHC du CERN

For my English-speaking readership, this post is the long awaited adaptation in French of this blog, in which I discuss how one of my scientific publications became a seed for an analysis of data at CERN’s Large Hadron Collider. I was so happy when I discovered last May the corresponding experimental results, that I felt obliged to share my joy with everyone on Hive!

Donc nous revoilà à nouveau ensemble pour une nouvelle aventure de physique des particules. Ce post, qui concerne la physique des neutrinos, est légèrement en retard par rapport à sa version anglaise. J’espère que je serai pardonné… Je ne me justifierai cependant pas pour ce retard (j’ai mes raisons), et tout vient à point pour qui sait attendre.

Aujourd’hui, nous savons clairement que les neutrinos consistent en un signe clair de nouveaux phénomènes au-delà du Modèle Standard de la physique des particules (comme détaillé ici). Nous avons en effet des preuves solides que les neutrinos sont massifs, ce qui contredit le Modèle Standard dans lequel ils sont non-massifs. Par conséquent, les physiciens ont développé de nombreuses extensions du Modèle Standard permettant de modéliser la masse des neutrinos (sans trop démolir la théorie au passage).

Avec mes collaborateurs, nous avons proposé en 2020 une nouvelle idée permettant de tester les modèles de masse des neutrinos (voir aussi ce blog). Et de façon géniale, en mai dernier la collaboration CMS travaillant autour du Grand Collisionneur de Hadrons du CERN (le LHC) a sorti une nouvelle étude dans laquelle l’idée a été appliquée telle quelle dans les données.

En tant que théoricien des particules, c’est un succès indéniable : ce travail a été accepté par les collègues expérimentateurs afin d’être testé dans la vraie vie (c’est-à-dire vis-à-vis des données). J’ai donc décidé de partager ma joie avec vous au travers de ce blog. Comme d’habitude, pour celles et ceux qui veulent uniquement la version courte du blog (la physique ça fait parfois peur), il ne faut pas hésiter à aller directement à la conclusion ci-dessous.

^{[Crédits: Image originale de SNO (CC BY-SA 4.0)]}

---

Neutrinos - de leur découverte à aujourd’hui

---

Les neutrinos sont apparus dans le cadre des premières études de radioactivité au début du 20^ème siècle. Les physiciens étudiaient des désintégrations atomiques appelées désintégrations beta dans lesquelles un noyau atomique donné se désintégrait en un autre noyau plus léger ayant une charge électrique d’une unité supérieure. Cette désintégration s’accompagnait de l’émission d’un électron.

En regardant de près cet électron, il fut noté que son énergie violait l’une des règles d’or de la physique : la conversation de l’énergie. En effet, son énergie était toujours inférieure (parfois très fortement) à celle prédite par la théorie. Une solution fut proposée par Wolfgang Pauli: l’électron est accompagné d’une particule invisible (appelée plus tard un neutrino), avec laquelle il partage l’énergie disponible dans la réaction.

^{[Crédits: Ponor (CC BY-SA 4.0)]}

60-70 plus tard, on peut affirmer que cette idée fut une bonne idée. Non seulement les neutrinos furent découverts expérimentalement, mais nous savons aujourd’hui qu’il y en a de trois sortes. Dans le Modèle Standard, nous avons trois types de neutrinos non-massifs : le neutrino électronique, le neutrino muonique et le neutrino tau.

Cependant, à la fin des années 1990 et au début des années 2000, le Sudbury Neutrino Observatory au Canada et l’expérience Super-Kamiokande au Japon démontrèrent qu’un neutrino d’un type donné pouvait changer de nature durant sa propagation. Ainsi, un neutrino électronique créé en un point de l’univers pouvait être observé sur Terre non seulement comme un neutrino électronique, mais aussi comme un neutrino muonique ou un neutrino tau. Toutes les options sont possibles !

Ce fait changea complètement notre vision des neutrinos, car il n’est possible que dans le cas où les neutrinos sont massifs. Ainsi, ces oscillations des neutrinos sont la preuve que le Modèle Standard doit être généralisé afin que les neutrinos y deviennent massifs. Il nous reste donc un bout de chemin à parcourir afin de peaufiner notre vision de l’univers…

Pour le fun, voici une photo d’un DONUT. Comprenne qui pourra (ne pas hésiter à expliquer en commentaire).

^{[Crédits: Fermilab]}

---

Tests des modèles de masse des neutrinos… sans neutrinos

---

Comme dit ci-dessus, il nous faut donc modifier le Modèle Standard afin d’y inclure les masses des neutrinos. Il existe plusieurs façons de faire cela, et les données ne nous permettent pas de choisir actuellement laquelle est la plus probable. Il nous faut donc tester toutes ces façons dans les données afin d’en savoir plus. Il faut en effet être pragmatique.

Parmi tous les modèles de masse des neutrinos, l’un d’entre eux suppose l’existence de nouveaux neutrinos bien plus lourds que toute particule connue. L’avantage est que le Modèle Standard est modifié minimalement. On y ajoute seulement quelques neutrinos massifs d’un nouveau type. Ils sont insensibles aux interactions fondamentales connues, et ils fournissent ensuite aux neutrinos connus leur masse par effet de mélange.

Le résultat est que tous les neutrinos résultants ont une composante standard et une composante non standard. Trois neutrinos sont très standards, et donc très légers, et les autres sont très non standards, et donc très lourds. Il nous reste bien entendu à découvrir ces derniers.

^{[Credits: J.Mod.Phys. 4 (2013) 7-10]}

Ce mécanisme s’appelle le mécanisme seesaw en anglais, que je ne traduirai pas car ça ferait trop bizarre. Dans l’image ci-dessus, on peut voir un gros neutrino N partageant un peu de sa masse avec le neutrino 𝞶 du Modèle Standard, initialement non-massif.

Dans mon travail de 2020, mes collaborateurs et moi-même nous sommes concentrés sur un processus appelé processus double-beta sans neutrinos. Ce processus correspond à la production de deux leptons chargés en collisionneur, sans neutrino. Le nom provient d’une topologie (plus ou moins) similaire à celle de deux désintégrations beta simultanées.

Dans les modèles seesaw, un processus double beta peut avoir lieu via l’échange intermédiaire de neutrinos lourds, comme dans le diagramme ci-dessous. Sur la gauche de cette figure, on peut voir deux quarks q₁ et q₂. Ces quarks sont les constituants des protons qui se collisionnent au LHC.

Ces quarks ont beaucoup d’énergie (car les protons initiaux sont fortement accélérés) et sont sensibles aux interactions faibles. Ainsi, ils peuvent être convertis en d’autres quarks par émission de bosons W très énergétiques. C’est ce que nous voyons en violet dans la figure ci-dessous.

Ces deux bosons W mènent ensuite à la production de deux leptons chargés l₁ et l₂ qui peuvent être deux électrons, deux positrons, deux muons, etc. Cela se produit via l’échange interne d’un neutrino lourd N.

^{[Crédits: CMS-EXO-21-003 (CMS @ CERN)]}

L’intérêt du processus ci-dessus est la production de deux leptons de même charge électrique et d’aucun neutrino. Cette signature correspond à un signal pour lequel il y a très peu de bruit de fond du Modèle Standard. Son observation consisterait donc en un signe clair de physique au-delà du Modèle Standard.

---

De la théorie aux données

---

Le point crucial du diagramme ci-dessus est la présence de neutrinos lourds intermédiaires. Cela implique que le signal dépend des propriétés de ce neutrino lourd, et donc des modèles seesaw en général. L’étude de la production de deux leptons de même charge au LHC peut donc nous permettre d’explorer les modèles de masse des neutrinos.

Cette idée est exactement ce que nous avions proposé en 2020 avec mes collaborateurs, et que CMS a étudié dans les données un petit peu plus tôt cette année. Voyons donc la différence entre nos prédictions et les résultats de CMS…

Afin de fixer les idées, nous allons considérer la production de deux muons et présenter les résultats dans une figure où l’axe X correspond à la masse du neutrino lourd et l’axe Y à son taux de mélange avec les neutrinos du Modèle Standard (une valeur de 1 correspond à 100% de mélange).

^{[Crédits: Phys. Rev. D103 (2021) 055005 (CC BY 4.0 ; figure de gauche) and CMS-EXO-21-003 (CMS @ CERN ; figure de droite)]}

La ligne bleue quasi verticale dans la figure de gauche et les lignes en bleu/violet dans la figure de droite correspondent aux contraintes venant d’études antérieures. Toute configuration au-dessus de ces lignes est exclue. Ainsi, les données excluent tout neutrino lourd dont la masse est inférieure à 1000 GeV (soit 1000 fois la masse du proton), pour autant que le mélange avec les neutrinos du Modèle Standard soit important (le paramètre de mélange est proche de 1).

À présent, regardons la ligne horizontale dans la figure de gauche (en violet). Il s’agit de nos prédictions pour la sensibilité du processus double beta au LHC. Tout point au-dessus de cette ligne est potentiellement exclu d’après nos simulations. On peut voir que des neutrinos de 20000 GeV peuvent être exclus (soit quasi deux fois l’énergie du LHC) !

Les sondes double beta permettent ainsi d’explorer un régime non accessible par la production directe de neutrinos lourds. N’est-ce pas captivant (au moins pour un physicien ou physicienne des particules) ?

Il nous reste alors à comparer nos prédictions aux données, c’est-à-dire la ligne noire de CMS (avec la bande en jaune-vert pour les incertitudes). On observe un excellent accord entre nos prédictions et les résultats de CMS.

Ainsi, en 2020 nous avions démontré la faisabilité d’une analyse et déterminé son potentiel au vu des modèles de masse des neutrinos, et en 2022 la collaboration CMS du LHC a confirmé le tout. Excellent, n’est-ce pas ?

^{[Crédits: Reidar Hahn (domaine public)]}

---

Résumé : tests sans neutrinos des modèles de masse des neutrinos - de la théorie aux données

---

Les neutrinos furent initialement introduits dans les années 1930 afin d’expliquer des bizarreries dans les études de désintégrations radioactives dans lesquelles un électron était émis. Depuis ce moment, un long chemin a été parcouru. Nous savons aujourd’hui que les neutrinos existent pour de vrai, et qu’il y en a trois dans le Modèle Standard.

Seulement voilà, dans le Modèle Standard les neutrinos sont non-massifs. Des expériences datant de la fin du dernier millénaire (c’est-à-dire d’il y a une vingtaine d’années) ont montré que les neutrinos devaient obligatoirement être massifs. Il faut donc des nouvelles particules au-delà du Modèle Standard afin d’expliquer comment les neutrinos peuvent être massifs. Dans ce blog, j’ai discuté du mécanisme seesaw dans lequel les neutrinos obtiennent leurs masses par mélange avec des neutrinos lourds inertes.

En 2020, avec mes collaborateurs, nous avons proposé une nouvelle signature pour l’étude de ces modèles seesaw. On se concentre sur un processus en collisionneur dans lequel deux leptons de même charge électrique sont produits sans neutrinos. Ce signal a l’avantage de souffrir d’un faible bruit de fond du Modèle Standard, ce qui rendrait une observation potentielle plutôt aisée.

Dans mon étude, nous avons estimé le potentiel d’une telle signature au LHC, et démontré qu’on pouvait attendre des neutrinos lourds dont la masse était de l’ordre de deux fois l’énergie du LHC.

Le mois dernier, la collaboration CMS du LHC a sorti les résultats d’une étude basée sur notre proposition, démontrant que nos prédictions étaient… correctes ! Ainsi, notre proposition permet effectivement de tester les modèles seesaw bien au-delà de ce qui était fait par le passé.

Bien sûr, l’histoire n’est pas finie car le LHC en a encore pour une vingtaine d’années de fonctionnement. Cette histoire pourrait même continuer au travers de notre projet de sciences citoyennes sur Hive (il n’est pas trop tard pour nous rejoindre si cela vous intéresse).

N’hésitez pas à faire coucou en commentaires. Sur ce, je souhaite un bon long week-end aux personnes concernées ! Et bien entendu, un bon week-end pour les autres ;)