physique

Plus vite que la lumière et plus loin qu’Einstein

Des neutrinos circulant entre Genève et les Abruzzes ont dépassé la vitesse de la lumière de 6 km/h. La découverte pourrait bouleverser la physique

Erreur de mesure ou révolution scientifique? Les physiciens chargés de l’expérience européenne OPERA ont affirmé hier avoir mesuré des neutrinos circulant à une vitesse dépassant celle de la lumière. Ces particules élémentaires de très faible masse auraient en effet parcouru les 730 kilomètres séparant en ligne droite la source du faisceau située au CERN à Genève et le détecteur du Gran Sasso en Italie en 60 milliardièmes de seconde de moins que ce qu’auraient accompli les photons, c’est-à-dire les grains de lumière, sur une distance équivalente dans le vide. Si ce résultat est confirmé – ce qui ne sera pas le cas avant deux ou trois ans –, toute la physique théorique risque de trembler sur ses bases: le postulat séculaire d’Einstein affirmant que la vitesse de la lumière est une limite infranchissable devra, c’est un minimum, être revu et corrigé.

Surprise totale

Pour l’heure, les chercheurs restent extrêmement prudents. «Ce résultat est une surprise totale, estime ainsi Antonio Ereditato, professeur à l’Université de Berne et porte-parole d’OPERA. Après des mois d’études et de recoupements, nous n’avons découvert aucun effet dû aux instruments qui pourrait expliquer le résultat de la ­mesure. Les chercheurs de la collaboration OPERA vont poursuivre leurs études, mais nous attendons avec impatience des mesures indépendantes qui permettront d’évaluer la nature de cette observation.»

L’expérience OPERA, inaugurée en 2006, regroupe 160 chercheurs de 11 pays dont la Suisse. Elle exploite des neutrinos générés à l’aide d’un des accélérateurs du CERN, le SPS. Ces particules sont ensuite envoyées à travers la croûte terrestre vers un énorme détecteur de plus de mille tonnes installé au Laboratoire national du Gran Sasso, creusé sous un massif des Apennins dans les Abruzzes. L’objectif de l’opération n’était pas du tout de mesurer la vitesse des neutrinos mais d’étudier d’autres propriétés de ces particules. La découverte est donc le fruit du hasard.

«Les résultats sont basés sur la mesure de 16 000 neutrinos qui sont des particules difficiles à ­détecter car elles n’interagissent pratiquement pas avec la matière ordinaire», précise Stavros Katsanevas, directeur adjoint au CNRS et un des membres de l’équipe OPERA.

Vérification poussée

Tous les paramètres ont été vérifiés avec la plus grande attention. La distance entre l’émetteur et le détecteur a été contrôlée à 20 centimètres près, avec l’aide no­tamment d’experts en métrologie indépendants. L’incertitude entachant le temps de parcours a été plus délicate à évaluer en raison des petits délais inhérents à l’électronique mise en œuvre dans l’expérience. A l’aide d’horloges atomiques et de systèmes de GPS, les physiciens sont néanmoins parvenus à réduire la marge d’erreur à 10 milliardièmes de seconde (ou nanosecondes).

Malgré tous ces efforts, rien n’y a fait: les neutrinos arrivés au Gran Sasso ont bel et bien circulé à une vitesse qui dépasse d’environ 6 km/sec. les immuables et mythiques 299 792,458 km/sec. de la lumière. Un excédent qualifié de «significatif».

Du coup, après six mois de vérification, les chercheurs, pressés en outre par le fait que l’information commençait à se propager au-delà du cercle des initiés, ont décidé de soumettre leurs résultats à la communauté scientifique et au grand public. Un article a été publié sur Arxiv.com, un site de pré-publications électroniques libre d’accès, et un séminaire regroupant des experts du domaine s’est tenu ce vendredi au CERN pour faire le point.

Chaleureuse ovation

A cette occasion, les auteurs de l’expérience ont reçu de l’auditoire bien fourni une chaleureuse ovation avant d’essuyer une averse de questions très techniques auxquelles ils ont pu apporter, semble-t-il, des réponses satisfaisantes.

Un certain scepticisme n’en a pas moins pointé son nez au cours de la journée, à l’image de ce chercheur anglo-saxon, cité par l’AFP: «Etant donné que je crois aux théories que nous avons et que cette mesure est la seule indication que quelque chose cloche, je pense qu’il y a un biais dans la mesure. J’ai l’impression que ça ne va pas résister très longtemps.»

Voyage dans le passé

«Si ce résultat est confirmé, toutes les théories de la physique moderne basées sur la relativité restreinte doivent être revues, explique Ruth Durrer, professeur au Département de physique théorique de l’Université de Genève. Le bouleversement potentiel est énorme. Si l’on peut dépasser la vitesse de la lumière d’autant – 20 millionièmes est une fraction considérable –, alors on peut imaginer des expériences qui explorent le passé. On peut imaginer aussi que les effets aient une influence sur les causes, ce qui va à l’encontre de tous les principes fondamentaux de la physique actuelle.»

Pour Stavros Katsanevas, il est beaucoup trop tôt pour parler d’une quelconque révolution dans la physique et carrément faux de prétendre qu’Albert Einstein s’est trompé. «Il y a cent ans, la théorie de la relativité générale n’a pas rendu celle de la gravitation de Newton caduque, explique-t-il. Cette dernière reste valable à l’échelle humaine. Et, jusqu’à présent, toutes les mesures ont confirmé l’exactitude de la théorie d’Einstein. Si nos résultats sont avérés, il est néanmoins possible que nous ayons là un premier aperçu d’une théorie – qui reste à écrire – encore plus vaste que celle élaborée par Einstein en 1905.»

Il faut dire que l’expérience OPERA a testé la relativité restreinte dans un régime cinétique inédit. Le rapport entre l’énergie des neutrinos et leur masse – très faible – est en effet particulièrement grand, même par rapport à celui des protons injectés dans l’accélérateur LHC du CERN et destinés à découvrir le fameux boson de Higgs.

«Du coup, on se trouve dans des conditions où de nouveaux phénomènes commencent peut-être à se manifester, poursuit Stavros Katsanevas. Plusieurs idées, qui ne sont de loin pas encore des théories, circulent. Certains chercheurs prétendent qu’il pourrait s’agir de la présence de dimensions supplémentaires, autres que les quatre que nous connaissons, et d’une géométrie de l’espace non triviale qui permettrait au neutrino de trouver un raccourci (un trou de ver) pour aller d’un point à un autre. Du coup, il ne serait même plus nécessaire d’invoquer un dépassement de la vitesse de la lumière.»

D’autres imaginent qu’à l’échelle du neutrino, étant donné son énergie élevée, on commencerait à toucher à la structure la plus intime de l’univers, là où les effets de la gravitation et de la quantique se mélangent. Dans une espèce de «mousse quantique» que personne n’a jamais observée, les relations entre énergie et impulsion seraient modifiées, induisant des petites corrections sur cette limite absolue qu’est la vitesse de la lumière et expliquant la vitesse des neutrinos du Gran Sasso.

Confirmation nécessaire

«Il ne s’agit donc pas de jeter la théorie de la relativité aux oubliettes, estime Stavros Katsanevas. En revanche, nos résultats, que nous pensons solides, généreront sans doute de nombreuses recherches théoriques.»

Le plus important, pour l’heure, est d’obtenir une confirmation des résultats d’OPERA par une expérience indépendante. Il se trouve qu’en 2007 le projet Minos au Fermilab, près de Chicago, avait déjà découvert des résultats similaires. Seulement, l’incertitude entachant les mesures était telle qu’elles étaient irrecevables. Tout au plus ont-elles mis la puce à l’oreille des physiciens, qui ont commencé à plancher sur une expérience beaucoup plus précise, qui pourrait déjà être prête d’ici à un ou deux ans.

L’équipe d’OPERA est elle aussi sur les rangs et a déjà imaginé l’expérience suivante. Il existe dans le monde un troisième faisceau de neutrinos capable de réaliser une telle manipulation, le Superkamikande, au Japon. La course est ouverte, et Albert n’a qu’à bien se tenir.

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