Neutrino et modèle standard

[barbibulle]

Bonjour,

On entend souvent, les physiciens "protester" que les observations/expériences réalisées n'arrivent pas à mettre en défaut le modèle standard mais ne fond que le confirmer, empêchant une meilleure compréhension de l'univers
Cependant, il existe bien aujourd'hui des phénomènes reproductibles sur Terre qui mettent en défaut le modèle standard. Je parle par exemple des neutrinos. Sauf erreur de ma part, le modèle standard prédit l'existence du neutrino mais les propriétés prédites ne sont pas correctes.
En effet, selon le modèle standard, le neutrino devrait avoir une masse nulle , il devrait donc ce déplacer à c. Cependant, on observe que le neutrino à une masse (oscillation) et qu'il ne se déplace pas à c il se déplace un peu moins vite (expérience Opéra).
Le modèle standard est donc en défaut, voilà donc des expériences/observations permettant d'améliorer/étendre le modèle standard.

Existe-t-il aujourd'hui des solutions pour expliquer les propriétés du neutrino? Comment le modèle standard "s’accommode" de cette anomalie ?

Par ailleurs, on entend dire souvent que plusieurs théories existent pour mieux comprendre l'univers, mais qu'il n'y a pas assez d'observation ou de mesure précise pour valider telle ou telle théorie.
Le neutrino, ne permet-il pas d'aiguiller vers la bonne théorie justement ?

Merci d'avance pour vos réponses et n'hésitez pas à me reprendre si mes affirmations sont fausses.
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[Deedee81]

Salut,

On entend souvent, les physiciens "protester" que les observations/expériences réalisées n'arrivent pas à mettre en défaut le modèle standard mais ne fond que le confirmer, empêchant une meilleure compréhension de l'univers
Cependant, il existe bien aujourd'hui des phénomènes reproductibles sur Terre qui mettent en défaut le modèle standard. Je parle par exemple des neutrinos. Sauf erreur de ma part, le modèle standard prédit l'existence du neutrino mais les propriétés prédites ne sont pas correctes.
[...]

Le Modèle Standard ne prédit pas les propriétés du neutrino : masse, angles de mélange.
Ce sont des paramètres libres.
Donc, il n'y a pas remise en cause de celui-ci.

Par contre, tu as raison en disant que cela va au-delà du "Modèle Standard avant ces découvertes". Car on fixait habituellement la masse à zéro (sans être sûr) et les angles de mélange furent une très grosse surprise.
On a donc adapté les paramètres ce qui améliore le Modèle Standard qui a ainsi bel et bien évolué

EDIT on a vécu la même chose avec la violation CP (violation symétrie matière/antimatière dans la désintégration des mésons K et B).
EDIT bis, pardon, la construction du MS n'était pas entière terminée lors de cette découverte. C'est à peu près aux mêmes dates puisque Feynman en parle alors que la chromodynamique n'était que balbutiante.

Concernant les théories non validées, il y en a beaucoup : supersymétrie, théorie des cordes, supergravité, théorie des boucles, triangulations causales, twisteurs, géométries non commutatives, etc... etc...
La grande majorité des prédictions expérimentales (quand elles existent !!!!!) sont totalement inaccessibles à nos investigations actuelles.

Quelques effets peuvent être à notre portée : nature de la matière noire, particules supersymétriques, granularité de l'espace-temps, écart au principe d'équivalence, écart matière/antimatière....

Mais nul ne sait si on validera une de ces constructions théoriques. Et nul ne sait d'où viendra la "vérité".

Il n'est pas totalement impossible que cela vienne du neutrino qui n'a pas dit son dernier mot et qui est encore étudié. Mais il faut chercher tout azimut.

[barbibulle]

Eh bien, t'en connais des choses toi . Merci pour tes éclaircissements. Encore une victoire du modèle standard :/, ça doit vous lassez à force ?

[Amanuensis]

En effet, selon le modèle standard, le neutrino devrait avoir une masse nulle , il devrait donc ce déplacer à c.

Non, le modèle standard laissait ouverte la question de la masse des neutrinos. Avant l'observation des oscillations, il n'y avait que des bornes supérieures.

Cependant, on observe que le neutrino à une masse (oscillation)

C'est dans l'autre sens. On a des observations qui s'expliquent dans le cadre du modèle standard par une oscillation entre types de neutrinos, ce qui implique qu'ils aient une masse non nulle.

il se déplace un peu moins vite (expérience Opéra).

Il me semble que la mesure de l'expérience Opéra est telle que c est dans l'intervalle probable, i.e., que l'expérience ne permet pas de distinguer entre c et strictement inférieur à c. À vérifier ; c'est un détail sans importance dans le sujet.

Le modèle standard est donc en défaut

Ben non...

Par ailleurs, on entend dire souvent que plusieurs théories existent pour mieux comprendre l'univers, mais qu'il n'y a pas assez d'observation ou de mesure précise pour valider telle ou telle théorie.

Cela est le cas, a toujours été le cas, et sera toujours le cas...

[A voir en vidéo sur Futura]

[Deedee81]

Salut,

ça doit vous lassez à force ?

Je ne te le fais pas dire !

[0577]

Bonjour,

l'affirmation que les masses des neutrinos sont des paramètres libres du modèle standard, que ces paramètres étaient auparavant mis à zéro et qu'ils sont désormais ajustés avec les données expérimentales, n'est pas tout à fait exacte et il me semble correct de dire que la question de la masse des neutrinos va au-delà du modèle standard.

Dans une théorie quantique des champs définie par un lagrangien, la masse des particules excitations quantiques d'un champ est le coefficient du terme quadratique en dans le lagrangien. Si est un champ scalaire, il est clair ce qu'est un terme quadratique: . Mais si possède des propriétés de transformation sous le groupe de Lorentz plus compliquées, la question est plus subtile car il faut construire une expression quadratique scalaire, i.e Invariante sous le groupe de Lorentz. Si est un spineur de Weyl gauche et si est un spineur de Weyl droit, il est possible de construire un terme quadratique qui est schématiquement et s'appelle une masse de Dirac. Etant donné un spineur de Weyl de chiralité donnée, par exemple gauche, , il est possible de construire un terme quadratique qui est schématiquement et qui s'appelle une masse de Majorana.

Avant brisure de la symétrie électrofaible, le modèle standard est une théorie quantique des champs décrivant des bosons de jauge pour le groupe , trois générations de quarks et de leptons, et un champ scalaire dit de Higgs. Pour simplifier la discussion, j'oublie (l'interaction forte) et je suppose qu'il n'y a qu' une génération. Il ne reste alors que la symétrie de jauge électrofaible , l'électron, le neutrino (électronique) et le champ de Higgs. L'électron est décrit par un spineur de Weyl gauche («électron gauche») et un spineur de Weyl droit («électron droit»). Le neutrino est décrit par un spineur de Weyl gauche («neutrino gauche»). L'électron gauche et le neutrino (gauche) forment un doublet sous le groupe de jauge alors que l'électron droit est un singlet sous . Cette dissymétrie gauche/droite de l'interaction électrofaible interdit une masse de Dirac pour l'électron, une masse de Majorana pour le neutrino ou encore une masse de Majorana car ces termes ne sont pas invariants de jauge (il n'y a pas non plus de masse de Majorana à cause de ). Remarquons qu'il n'y a pas non plus de masse de Dirac dans le modèle standard simplement parce qu'il n'y a pas de neutrino droit (c'est la traduction d'une réalité expérimentale: on n'a jamais vu de neutrino droit).

Les interactions du modèle standard sont toutes celles invariantes de jauge et renormalisables, i.e avec des coefficients sans dimension qui sont des paramètres libres de la théorie. En particulier on a un terme de la forme où est le champ de Higgs mais on n'a pas de termes de la forme car ceux-ci ne sont pas invariants de jauge. Pour certaines valeurs des paramètres du potentiel d'interaction du champ de Higgs, le champ de Higgs est tachyonique, ce qui est le signe d'une mauvaise identification du vide de la théorie. Le vide correct est obtenu en donnant une valeur moyenne non-nulle au champ de Higgs. Cela brise la symétrie électrofaible en un sous-groupe et le lagrangien du modèle standard après brisure électrofaible est obtenu en développant le lagrangien initial autour de . En particulier le terme devient i.e on a une masse de Dirac pour l'électron. Mais comme il n'y a pas de terme analogue pour le neutrino, le neutrino reste sans masse. Ainsi, dans le modèle standard, il n'y a pas de paramètre libre pour la masse du neutrino: le neutrino est automatiquement sans masse.

Etant donné qu'on a observé expérimentalement la masse du neutrino, il faut modifier le modèle standard. Bien sûr, une fois la modification faite, on pourrait renommer le nouveau modèle «modèle standard» et dire qu'on a rien fait. Néanmoins, ce que j'ai essayé d'expliquer ci-dessus est que le modèle standard est une structure assez rigide: on prend toutes les particules observées avec pour interactions toutes les interactions renormalisables possibles. Dans ce cadre, le neutrino a une masse nulle. Si on modifie ce cadre, ce qu'on doit faire pour expliquer la masse du neutrino, on doit faire quelque chose d'assez drastique: soit prédire l'existence de nouvelles particules, soit dire quelque chose sur les corrections non-renormalisables au modèle standard, i.e sur la physique à des échelles d'énergie bien supérieures à celles pour lesquelles on a testé la validité du modèle standard.

Il y a plusieurs possibilités théoriques pour expliquer la masse du neutrino:

1)La plus évidente serait l'existence d'un neutrino droit , donnant la possibilité d'un terme et donc une masse de Dirac après brisure électrofaible. Pour expliquer l'absence d'observation expérimentale de , il faut supposer que n'est couplé à aucune des symétries de jauge.

2) Le secteur de Higgs est peut-être plus compliqué que ce que l'on pense. Il y a peut-être plusieurs champs de Higgs avec plusieurs charges électrofaibles et peut-être qu'un de ces champs permet de construire un terme invariant de jauge et donc une masse de Majorana après brisure électrofaible.

3)Parmi les interactions non-renormalisables pouvant être ajoutées au modèle standard, il y a un terme invariant de jauge de la forme . Le coefficient de ce terme a pour dimension l'inverse d'une masse et il est naturel de l'écrire où est un paramètre sans dimension et est une masse. La masse détermine une échelle d'énergie à laquelle ce terme détruit la cohérence du modèle standard et signale l'apparition d'une nouvelle physique. Après brisure électrofaible, le neutrino obtient une masse de Majorana d'ordre avec de l'ordre de l'échelle d'énergie de la brisure électrofaible: vers 100GeV, alors qu'il est naturel de prendre pour l'échelle de grande unification, vers 10^16 GeV. On obtient ainsi une masse de 10^(-12) GeV, ce qui est extrêmement petit et compatible avec les mesures actuelles de la masse des neutrinos.

4)...

La possibilité 1) a plusieurs difficultés: pour expliquer la très faible masse du neutrino, il faudrait que le coefficient de soit extrêmement petit, ce qui semble peu naturel. De même, si n'est couplé à aucun champ de jauge, on pourrait ajouter un terme de masse de Majorana à la théorie et il est probable que ce terme soit engendré par des corrections quantiques avec un très grand coefficient. Réaliser la possibilité 2) est délicat car si on commence à toucher au champ de Higgs, qui interagit avec tout le monde, il faut être soigneux pour ne pas détruire toute la théorie. La possibilité 3) est la plus probable et à l'avantage d'expliquer la petitesse de la masse des neutrinos. Néanmoins il n'y a pas à l'heure actuelle d'évidence expérimentale permettant de trancher entre ces différentes possibilités et il n'y a donc pas d'extension «standard» du modèle standard incluant la masse des neutrinos. Les possibilités 2) et 3) impliquent une violation de la conservation du nombre leptonique et la possibilité d'une double désintégration beta sans émission de neutrinos. De nombreuses expériences essaient de mettre en évidence un tel phénomène mais à ma connaissance la question reste aujourd'hui ouverte. Le réalisme de 2) sera sûrement clarifié par le LHC qui doit étudier le secteur de Higgs (jusqu'à présent rien n'indique que le secteur de Higgs ait une structure différente de celle prédite par le modèle standard).

[invite73192618]

Très intéressant, merci 0577.

[killian971317]

Le but de la physique moderne est de faire s'entendre deux théories qui ont été démontrer réaliste: la physique quantique et le relativité générale d'A. Einstein. la relativité générale explique le fonctionnement du monde macroscopique jusqu'à l'échelle de l'univers entier tandis que la physique quantique explique le monde microscopique en dessous de l'atome inclus.

J'espère que cela t'aura aider cordialement, killian971317