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    Vraiment plus vite que la lumière?

    Le physicien Alan Kostelecky avait publié il y a 26 ans un article dans lequel il formulait l’hypothèse que les neutrinos pouvaient voyager plus vite que la lumière. Le professeur se réjouit de ces nouvelles observations qui donnent du poids à sa théorie, qui se veut une extension du modèle standard.<br />
    Photo: Source Université de l’Indiana Le physicien Alan Kostelecky avait publié il y a 26 ans un article dans lequel il formulait l’hypothèse que les neutrinos pouvaient voyager plus vite que la lumière. Le professeur se réjouit de ces nouvelles observations qui donnent du poids à sa théorie, qui se veut une extension du modèle standard.
    Depuis que la nouvelle est tombée, des centaines de physiciens du monde entier y vont de leur hypothèse pour expliquer cette observation extraordinaire qui ébranle les fondements de la physique. Des chercheurs auraient observé des neutrinos, particules élémentaires de la matière, voyageant à une vitesse supérieure à celle de la lumière, supposée être une limite infranchissable. La plupart des physiciens sont sceptiques et croient à une erreur, d'autres, moins nombreux, y voient la consécration de leur théorie iconoclaste... si bien sûr l'effet observé se confirme dans de nouvelles expériences.

    Depuis le 22 septembre dernier, le physicien Alan Kostelecky de l'Université de l'Indiana se réjouit probablement un peu plus que les autres physiciens du monde. Car il y a 26 ans, il publiait avec deux collègues un article scientifique intitulé «The neutrino as a tachyon», le tachyon étant une particule hypothétique voyageant à une vitesse supérieure à celle de la lumière. «À l'époque où nous avons formulé cette hypothèse, nous n'avions pas encore la motivation de joindre les théories de la relativité générale et de la mécanique quantique», raconte en entrevue le professeur Kostelecky, qui depuis de nombreuses années cherche à unifier ces deux théories jusqu'ici irréconciliables dans l'espoir d'en arriver à une «théorie du tout» qui décrirait l'Univers dans toutes ses dimensions. Pour y arriver, il a élaboré une hypothèse qui se veut une «extension du modèle standard», puisqu'elle se fonde sur le modèle standard (ou mécanique quantique), auquel on ajoute la relativité générale, accompagnée toutefois de petites corrections témoignant d'irrégularités ou de distorsions de l'espace-temps. Sa théorie laisse penser qu'il existerait peut-être «une direction imperceptiblement privilégiée dans l'Univers, le long de laquelle la vitesse de la lumière, des neutrinos, voire des autres particules élémentaires serait légèrement différente».

    Selon Kostelecky, si les neutrinos voyagent en effet plus vite que la lumière, les calculs d'Einstein ne seront pas mis à la poubelle pour autant. «Ils nous obligeront simplement à ajouter de petites corrections qui nous permettraient de comprendre un peu mieux comment joindre les deux théories», nous confiait-il dans une entrevue antérieure au 22 septembre dernier.

    «Avec les observations effectuées par l'équipe d'OPERA, les physiciens prendront mes calculs peut-être plus au sérieux», affirme le physicien théoricien, qui a été beaucoup sollicité ces derniers jours.

    Alan Kostelecky s'avoue toutefois surpris que la différence entre la vitesse atteinte par les neutrinos (300 006 km/s) et celle de la lumière (300 000 km/s) soit aussi grande. «Une différence de 6 km/s est vraiment trop élevée, j'aurais cru qu'on aurait trouvé une différence de 6 mètres par seconde, voire moins. Il faudra y réfléchir...», dit-il.

    Le chercheur reste néanmoins sur ses gardes. «C'est une observation extraordinaire qui exige une preuve extraordinaire. Pour la plupart des scientifiques, et pour moi, ces résultats ne convaincront que s'ils sont reproduits par une ou deux autres expériences indépendantes», déclare-t-il tout en soulignant que l'équipe OPERA a effectué cette expérience avec beaucoup de soin, ce qui la rend très convaincante à son avis.

    Scepticisme

    La plupart des physiciens sont toutefois sceptiques et croient plutôt à une erreur systématique, à une imprécision dans les mesures, voire à une incompréhension d'un élément qui nous échappe encore. Le professeur François Corriveau de l'Université McGill a plutôt l'impression d'un «effet du détecteur ou d'une petite erreur systématique [...] même si le groupe travaille très bien et a fait toutes les vérifications qui s'imposaient».

    Paul Taras, professeur émérite au Département de physique de l'Université de Montréal, est persuadé que l'effet observé disparaîtra lors des prochaines expériences. «C'est une mesure très complexe qui est entachée de certaines incertitudes qui ne sont probablement pas comprises pour l'instant. Ce n'est pas une erreur, mais avec nos connaissances actuelles, c'est l'interprétation qu'on peut donner aux résultats obtenus, affirme-t-il. Quand les gens commenceront à essayer de reproduire l'expérience, ils comprendront mieux toutes ces incertitudes sur les mesures de distance et de temps, et alors l'effet disparaîtra.»

    Paul Taras fait remarquer que «toutes les particules qui sont accélérées au CERN le sont par paquets. La position des particules dans ces paquets est un peu aléatoire. Il est donc très difficile de déterminer où se trouvent ces neutrinos à chaque instant», souligne M. Taras.

    Guy Moore, du Département de physique de l'Université McGill, abonde dans ce sens et précise que les neutrinos sont produits par paquets et que chaque salve dure 10 microsecondes. Des faisceaux de protons sont accélérés en direction d'une cible. Lorsqu'ils la frappent, ils se décomposent en pions, qui à leur tour se sépareront en muons et en neutrinos. Ce n'est que plusieurs millisecondes plus tard qu'un autre faisceau de protons est lancé et percute la cible. Mais comme les neutrinos interagissent très faiblement avec la matière, très peu sont interceptés par le détecteur du laboratoire de Gran Sasso, en Italie. «Quand ils en détectent un, ils ne savent pas de quelle salve il provient. Mais comme ils ont détecté un total de 16 000 neutrinos, ils font des statistiques et déterminent des valeurs moyennes. Ils trouvent le temps moyen où le proton se décompose et le temps moyen auquel le neutrino arrive au laboratoire de Gran Sasso, soit environ 2,5 millisecondes plus tard, croyaient-ils. Or ils ont observé que cette moyenne était décalée de 60 nanosecondes, précise Guy Moore. Ils n'ont donc pas mesuré précisément le moment exact où les neutrinos ont été produits, prenant comme point de départ le moment où les protons frappent la cible. Mais on ne sait pas combien de neutrinos sont produits lors de chaque collision. Il y a donc là la possibilité d'une erreur ou d'une mauvaise interprétation des résultats expérimentaux.»

    Guy Moore concède que les expériences ont été réalisées avec une très grande précision d'un milliardième de seconde pour le temps et de 20 centimètres sur la distance de 730 kilomètres.

    Mais pour lui, il demeure extrêmement difficile de croire aux résultats de cette expérience compte tenu du fait que la relativité restreinte d'Einstein qui a été très bien testée a été élaborée avec cette limite qu'est la vitesse de la lumière. «Or nous avons besoin de cette théorie pour concevoir les GPS qui ont servi à mesurer les différentes positions des particules au cours de l'expérience. Cette expérience implique donc que la relativité restreinte est juste», fait remarquer le physicien.

    De plus, il rappelle que les neutrinos émis par la supernova (l'explosion d'une étoile) survenue à proximité de la Terre en 1987 et qui avaient été interceptés par les trois détecteurs, dont on disposait sur la Terre, n'avaient pas dépassé la vitesse de la lumière dans le vide.

    Pour Guy Moore, seul le niveau d'énergie des neutrinos pourrait peut-être influencer la vitesse des neutrinos. «Les neutrinos qui nous sont parvenus de la supernova étaient de moindre énergie (20 méga-électrons-volts) que ceux qui ont été produits au CERN lors de l'expérience OPERA (20 giga-électrons-volts), qui sont 1000 fois plus énergétiques. Peut-être que les neutrinos de basse énergie voyagent à la vitesse de la lumière tandis que les neutrinos de haute énergie se déplacent encore plus vite», lance-t-il.

    Mais tout cela n'est que suppositions, chacun y allant de son explication. Près de 200 commentaires ont déjà été publiés sur la question depuis le 22 septembre.

    ***

    L'expérience


    Dans le cadre de l'expérience internationale OPERA, l'équipe de chercheurs menée par le physicien Dario Autiero, du Centre national de la recherche scientifique (CNRS) en France, a observé que des neutrinos produits par les accélérateurs du CERN à Genève arrivaient dans le laboratoire souterrain de Gran Sasso en Italie — situé 730 kilomètres plus loin — 60 nanosecondes plus tôt que prévu.

    D'après les calculs maintes fois vérifiés, les 15 000 neutrinos détectés à Gran Sasso mettaient 60 nanosecondes de moins que la lumière à parcourir cette distance de 730 kilomètres, que la lumière franchissait en 2,4 millisecondes. En d'autres termes, les neutrinos avaient une avance de 20 mètres sur la lumière à leur arrivée. Or, dans sa théorie de la relativité restreinte énoncée en 1905, Einstein démontrait que la vitesse de la lumière était une limite infranchissable. Il s'agit donc de la toute première observation expérimentale d'une particule qui se déplace plus rapidement que la lumière.

    Les neutrinos sont des particules élémentaires neutres qui interagissent très faiblement avec la matière, ce qui leur permet de traverser la croûte terrestre et notre corps sans être interceptés. Les neutrinos sont les particules les plus abondantes de l'Univers. À chaque seconde, chaque centimètre de notre corps est traversé par 70 milliards de neutrinos. 
    Le physicien Alan Kostelecky avait publié il y a 26 ans un article dans lequel il formulait l’hypothèse que les neutrinos pouvaient voyager plus vite que la lumière. Le professeur se réjouit de ces nouvelles observations qui donnent du poids à sa théorie, qui se veut une extension du modèle standard.<br />
CNRS Photothèque – Jean-Marc FADAY<br />
     
     
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