Pourquoi les neutrinos changent-ils d'identité en plein vol ?

Les neutrinos changent d'identité parce que chacune de leurs trois « saveurs », électron, muon et tau, n'est pas un état unique mais un mélange différent de trois états de masses bien définies, légèrement différentes. Pendant le trajet, les phases quantiques de ces états de masse avancent à des rythmes un peu différents : le mélange change sans cesse, et un autre mélange signifie un autre dosage de saveurs. Un neutrino né électronique peut donc être détecté plus tard avec une autre saveur, les probabilités variant au fil du vol. Bruno Pontecorvo l'avait prédit dès 1957.

L'indice est venu du Soleil, qui ne produit que des neutrinos électroniques. À la fin des années 1960, l'expérience Homestake de Ray Davis, un détecteur au chlore, a mesuré moins de neutrinos solaires que ne le prévoyait le modèle solaire standard ; selon les expériences, le déficit allait de la moitié aux deux tiers. Ce « problème des neutrinos solaires » a duré des décennies. L'explication : beaucoup de neutrinos électroniques avaient changé de saveur en route, devenant invisibles pour des détecteurs qui ne voyaient que les neutrinos électroniques.

En 1998, Super-Kamiokande, au Japon, a compté moins de neutrinos atmosphériques arrivant à travers la Terre que venant directement d'en haut, ce qui collait avec des neutrinos muoniques changeant de saveur à l'intérieur de la planète. Puis l'Observatoire de neutrinos de Sudbury, au Canada, a mesuré à la fois les neutrinos électroniques et toutes les saveurs ensemble : seuls 34 % environ étaient encore électroniques, en accord parfait avec la prédiction. Takaaki Kajita et Arthur B. McDonald ont partagé le prix Nobel de physique 2015 ; Pontecorvo, mort en 1993, n'en faisait pas partie.

Le résultat dépasse largement le Soleil. L'oscillation implique que les neutrinos ont une masse, alors que le modèle standard les prévoyait sans masse : la découverte a donc obligé à modifier cette théorie.