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Peut-on dépasser la vitesse de la Lumière ?
Un retour sur les récentes expériences faites avec le Neutrino, le "Marsupilami" des particules

par Jean-Paul Prulhière

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La vitesse de la lumière: Une barrière infranchissable?

D’après les théories de la physique moderne, et notamment les équations de Maxwell, la lumière visible, et même le rayonnement électromagnétique en général, a une vitesse constante dans le vide. On l'appelle" vitesse de la lumière". C'est une constante physique fondamentale.

  Elle est notée c (du latin celeritas, « vitesse ») et égale à 299 792 458 mètres par seconde.

  Elle n’est pas seulement constante en tous les endroits (et à tous les âges) de l’Univers, mais aussi quel que soit le repère de référence d’un observateur.

  Elle est toujours inférieure à c dans un milieu qui contient de la matière, cela d’autant plus que la matière est plus dense.

Si aucun objet dans quelque milieu que ce soit ne peut dépasser la vitesse de la lumière dans le vide, dépasser la vitesse de la lumière dans le même milieu (liquide, solide, gaz) est possible : par exemple, dans l’eau les neutrinos peuvent aller considérablement plus vite que la lumière (qui s’y trouve elle-même considérablement ralentie). Cela est à l’origine de l’effet Tcherenkov.

Qu'est-ce qu'un neutrino?

En 1930, la communauté des physiciens est confrontée à une énigme : La désintégration des matériaux radioactifs  ne semble pas respecter la loi de conservation de l'énergie. Pour satisfaire ce principe, Wolfgang Ernst Pauli postule l'existence d'une nouvelle particule, de charge électrique nulle et de masse quasi-nulle impossible à mesurer directement. Enrico Fermi lui donne le nom de « neutrino » en 1933, en l’incorporant dans sa théorie de l’interaction faible.

Le neutrino appartient à la famille des Leptons. Il est découvert expérimentalement en 1956 auprès d’un réacteur nucléaire. En 1990, le LEP démontre l'existence de trois familles de neutrinos.

Leur probabilité d'interaction (donc de détection) est très faible. Sur 10 milliards de neutrinos (provenant des galaxies lointaines, essentiellement lors de la mort des Super-novas) qui traversent la terre, un seul va interagir avec les atomes constituant la terre. Il faudrait une épaisseur d’une année-lumière de plomb pour arrêter la moitié des neutrinos de passage. Les détecteurs de neutrinos contiennent donc typiquement des centaines de tonnes d’un matériau et sont construits de telle façon que quelques atomes par jour interagissent avec les neutrinos entrant.

Le neutrino a une masse quasi-nulle. Sa vitesse, proche de celle de la lumière dans le vide ne peut théoriquement la dépasser.

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Le grand collisionneur électron-positon, ou LEP (de l'anglais Large Electron Positron collider) est un accélérateur de particules circulaire de 27 km de circonférence, passant sous le site du CERN entre la France et la Suisse. En fonctionnement de 1989 à 2000, le LEP demeure le plus puissant collisionneur de leptons jamais construit.

Qu'est ce qu'OPERA, l'objet de la découverte controversée?

OPERA (acronyme de l'anglais Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) est une expérience internationale de physique des particules, destinée à observer et étudier certains paramètres des neutrinos (phénomènes d'oscillation). Elle utilise un faisceau de neutrinos à haute intensité et à haute énergie produit par le Super Proton Synchrotron (SPS) du CERN à Genève et dirigé vers un détecteur souterrain installé au Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), en Italie, à environ 730 km de distance.

Les expériences ont commencé en été 2006.

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Qu'a-t-on observé?

Le 23 septembre 2011, la collaboration OPERA annonce avoir mesuré un écart entre le temps de parcours des neutrinos du CERN au Gran Sasso par rapport au temps attendu, ce qui correspond à un dépassement apparent de la vitesse de la lumière.

Une réédition de cette expérience 2 mois plus tard, avec des paquets plus courts afin de minimiser les inexactitudes liées à cette donnée, aboutit au même résultat.

Si ces mesures étaient exactes,  cela signifierait que le neutrino se déplace à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière, et remettrait donc en cause la théorie de relativité d'Einstein.

Où en est-on?

Après de nombreux échanges dans la communauté scientifique, et dans des articles de presse (ex: France-Soir du 22 septembre 2011), on a maintenant la réponse quasi-certaine : La vitesse de la lumière n'est pas encore dépassée.

 

Einstein contredit ? Des neutrinos dépassent la vitesse de la lumière

SCIENCE/ÉCOLOGIE

La relativité contredite ? Le CNRS a annoncé jeudi le résultat surprenant d'une expérience : il a mesuré des particules élémentaires à une vitesse supérieure à celle de la lumière.

 

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 Albert Einstein, il y a presque un siècle, n'imaginait pas que la vitesse de la lumière puisse être dépassée.

  Le 22 février, la revue Science fait état d'une mauvaise connexion au niveau de la fibre optique reliant un GPS à une carte électronique du dispositif expérimental d'OPERA et qui pourrait être à l'origine de l'effet observé.

  Le 23 février, le CERN a confirmé que cette hypothèse était en cours d'investigation, tout en mentionnant une autre défaillance possible au niveau d'un oscillateur utilisé pour la synchronisation avec un GPS, qui accentuerait l'effet observé

  Le 16 mars, un nouveau traitement expérimental des données acquises en septembre 2011 a été réalisé dans l'expérience ICARUS * par le laboratoire italien du Gran Sasso, Elle indique que les neutrinos ne dépassent pas la vitesse de la lumière au cours de leur voyage entre les deux laboratoires. Ce résultat contredit la mesure initiale annoncée par OPERA en septembre dernier. « Les données commencent à indiquer que le résultat d’OPERA est un artefact de mesure, déclare Sergio Bertolucci, directeur de la recherche au CERN, mais il est important d'être rigoureux, et les expériences du Gran Sasso, BOREXINO, ICARUS, LVD et OPERA, réaliseront en mai de nouvelles mesures avec faisceaux pulsés en provenance du CERN, ce qui nous donnera le verdict final.» 

 * L’expérience ICARUS a un système de mesure du temps indépendant de celui d’OPERA, et a mesuré sept neutrinos dans le faisceau envoyé par le CERN l’année dernière. Tous sont arrivés en un temps compatible avec la limite de la vitesse de la lumière.

Ces mesures sont difficiles à réaliser, et très sensibles, et elles soulignent l’importance du processus scientifique. La chambre à projection temporelle à argon liquide d’ICARUS est un détecteur innovant qui permet une reconstitution exacte des interactions de neutrinos, comparable aux anciennes chambres à bulles, mais avec des systèmes d’acquisition de données entièrement électroniques. La pulsation rapide de scintillation obtenue permet une mesure des temps précis de chaque événement, et a été exploitée pour la mesure du temps de vol du neutrino. Cette technique est désormais reconnue dans le monde entier comme étant la plus adaptée pour de futurs détecteurs de neutrinos de grand volume. »