Les oscillations des neutrinos mesurées par les collaborations T2K et NOvA

Particules élémentaires ultra-légères, les neutrinos ont un comportement curieux. Lorsqu’ils se déplacent, ils changent de « costume » (les scientifiques parlent de « saveurs ») et passent d’un type de neutrinos à un autre. Ainsi les neutrinos dits « muoniques » peuvent devenir des neutrinos « tauiques » ou encore « électroniques ». 

Ce phénomène, appelé oscillation des neutrinos, a été observé pour la première fois dans les années 1990. Aujourd’hui encore, des grandes collaborations internationales, impliquant chacune des centaines de chercheuses et chercheurs, tentent d’observer ces oscillations avec toujours plus de précisions. L’objectif est d’en savoir plus sur les masses des neutrinos, mais aussi de résoudre une des grandes questions sur notre Univers : comment se fait-il qu’il y a plus de matière que d’antimatière ?

Les particules d’antimatières sont en quelques sortent des jumelles des particules de matières, mais avec quelques caractéristiques « inversées », par exemple leur charge électrique. Par exemple, un « antiélectron » (ou positron) est semblable à un électron, mais en étant chargé positivement.

Une possible asymétrie entre matière et antimatière 

Notre Univers ne contient aujourd’hui que peu d’antimatière. Pourtant, d’après ce que les physiciennes et physiciens savent du Big Bang, matière et antimatière devraient avoir été créés en proportions égales…Existerait-il une légère asymétrie entre le comportement de la matière et celui de l’antimatière qui puisse expliquer le déséquilibre observé ? 

« C’est pour cela que nous comparons les oscillations des neutrinos à celles des antineutrinos à la recherche de ce que nous appelons une violation de la symétrie charge-parité » précise Margherita Buizza Avanzini, chercheuse au Laboratoire Leprince-Ringuet (LLR*) et impliquée dans la collaboration T2K (Japon).

Acronyme de Tokai to Kamioka, l’expérience consiste à produire un faisceau de neutrinos muoniques (ou d’antineutrinos muoniques pour comparaison) grâce à un accélérateur situé dans la ville de Tokai, puis d’envoyer ces particules près de 300 km plus loin, dans la région de Kamioka, où se trouve le détecteur Super-Kamiokande. Ce dernier observe ce que sont devenues les particules, en particulier leur changement par oscillation. Ceci est particulièrement ardue car les neutrinos interagissent extrêmement peu, ils sont donc très difficiles à mesurer ! La collaboration T2K existe depuis bientôt 20 ans, et le nombre total de particules détectées à l’arrivée ne s’élèvent qu’à plusieurs centaines.

Avec la collaboration NOvA, une expérience similaire qui se déroule aux Etats-Unis, les membres de T2K viennent de publier leur analyse conjointe dans Nature. « Le but était d’abord de mettre en place le processus de mise en commun des données des deux collaborations qui étaient concurrentes » explique Margherita Buizza Avanzini. 

L'analyse conjointe a combiné dix ans de données T2K collectées depuis 2010 et six ans de données NOvA depuis 2014. Les résultats ne sont pas encore assez significatifs pour être sûr de la violation de symétrie charge-parité, même s’ils pointent dans cette voie avec une précision accrue. L’annonce pourrait arriver d’ici quelques années. D’ici là, les deux expériences continuent de prendre des données. Le détecteur Hyper-Kamiokande, version améliorée de Super-Kamiokande, devrait entrer en service en 2028.

Référence de l’article :

The NOvA Collaboration., The T2K Collaboration. Joint neutrino oscillation analysis from the T2K and NOvA experiments. Nature 646, 818–824 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09599-3

*LLR : une unité mixte de recherche CNRS, École polytechnique, Institut Polytechnique de Paris, 91120 Palaiseau, France