Dario Autiero : "Nous avons travaillé en aveugle pendant 2 ans pour ne pas être influencés par le résultat"

Quel dispositif avez-vous mis en place pour calculer la vitesse des neutrinos ?

Dario Autiero : Nous avons utilisé le dispositif de l'expérience OPERA, qui consiste à émettre des neutrinos via l'accélérateur de particules du CERN. Ces neutrinos traversent la croûte terrestre, pour être finalement détectés à 730 km plus loin, dans le laboratoire souterrain de Gran Sasso, situé sous la montagne du même nom.

Mais il faut savoir que ce dispositif ne sert pas seulement à mesurer la vitesse des neutrinos : à l'origine, le dispositif OPERA a été mis en place pour analyser l'oscillation des neutrinos, c'est-à-dire la capacité d'un neutrino d'une espèce donnée de se transformer en un neutrino d'une autre espèce [ndr : En 2010, Dario Autiero et son équipe ont par exemple détecté la transformation d'un neutrino de type "muon" en neutrino de type "tau", grâce au dispositif OPERA].

Lorsque nous avons voulu mesurer la vitesse des neutrinos émis au CERN, nous avons ajouté à ce dispositif initial un système de mesure du temps, permettant de calculer très précisément le temps de vol des neutrinos, et un système de mesure de la distance parcourue par ces neutrinos, dont le résultat a été ensuite vérifié par une nouvelle campagne de mesure.

Pour le calcul de la distance du parcours effectué par les neutrinos, nous avons fait appel à des experts en géodésie, qui ont mesuré avec une extrême précision la distance entre le lieu d'émission et le lieu d'arrivée des neutrinos. Ces mesures nous ont donné la distance exacte à parcourir par les neutrinos, avec une incertitude de 20 cm.

Mais s'il nous fallait bénéficier d'une mesure précise de la distance, nous devions aussi disposer d'une mesure très précise du temps de parcours des neutrinos. Pour y parvenir, nous avons mis en place un procédé recourant à des systèmes GPS de pointe et à des horloges atomiques. Ceci nous a permis de synchroniser parfaitement le temps entre le CERN en Suisse, là où les neutrinos étaient émis, et le laboratoire de Gran Sasso en Italie, où arrivaient les neutrinos. Et donc d'effectuer une mesure très précise du temps de vol des neutrinos.

Au final, grâce à la mise en place de ces deux dispositifs de mesure de la distance et du temps, nous avions la possibilité de calculer la vitesse des neutrinos avec une précision inférieure à 10 nanosecondes. Ce qui est une très bonne précision pour ce type d'expérience.

Comment l'expérience sur la vitesse des neutrinos s'est-elle déroulée ?

Dario Autiero : Elle a duré plusieurs années. Dès 2006, l'année où le dispositif Opera a été inauguré, nous avions déjà commencé à réfléchir à la possibilité de mesurer la vitesse des neutrinos. Puis, en 2008, nous avons installé le système de synchronisation du temps dont je vous ai parlé. Nous y avons aussi installé au CERN un dispositif permettant de mesurer précisément la production issue du faisceau de protons. Car c'est la collision entre ces protons et les particules atomiques d'une cible de graphite sur lesquels ils sont envoyés qui, après une série d'étapes, nous permet de produire in fine des neutrinos. Si bien qu'en 2009, nous avons pu commencer à recueillir les premières données sur la vitesse des neutrinos. Ces mesures se sont poursuivies jusqu'en mars 2011.

Au cours de ces mesures, nous avons utilisé des faisceaux à haute énergie pour émettre nos neutrinos. Ce qui nous a permis d'effectuer des mesures de vitesse sur 16 000 évènements au total, entre 2009 et 2011. Pour des raisons de fiabilité, il était évidemment important de pouvoir raisonner sur un nombre d'évènements le plus grand possible.

Concernant ces mesures de vitesse effectuées en 2009 et 2011, il faut savoir une chose importante : afin de ne pas être influencés par les résultats obtenus, nous avons dès le début effectué toutes nos mesures en aveugle. Concrètement, cela signifie que nous avons introduit dans nos résultats des données de calibration qui faussaient artificiellement le résultat final. Bien sûr, ces données de calibration ajoutées artificiellement nous permettaient de manipuler le résultat final tant que nous le voulions, par exemple pour tester la reproductibilité du résultat en fonction du temps, ou pour vérifier le fonctionnement des procédures d'analyse de données. Mais elles nous interdisaient de découvrir le résultat réel concernant la vitesse des neutrinos. Le résultat que nous obtenions était un résultat abstrait, qui ne nous disait rien du tout sur la réalité de ce que nous étions en train de mesurer. En fait, nous avons découvert le "vrai" résultat seulement à la fin des mesures, c'est à dire en mars 2011.

Que s'est-il passé lorsque vous avez découvert les "vrais" résultats sur la vitesse des neutrinos ?

Dario Autiero : Nous avons évidemment été très surpris ! Car non seulement nos résultats disaient que les neutrinos étaient plus rapides que la lumière, mais ils disaient en plus que la différence entre les deux vitesses était vraiment très importante. En effet, selon nos calculs, les neutrinos parcoureraient 6 km de plus que la lumière en une seule seconde de temps !

L'ampleur de ces résultats était telle que nous avons d'abord procédé à une intense phase de vérification. Ainsi, nous avons demandé à un institut allemand indépendant de métrologie de mesurer expérimentalement le système de synchronisation du temps que nous avions mis en place entre le CERN et Gran Sasso. Par ailleurs, nous avons aussi recommencé tous nos calculs de géodésie en partant de zéro.

Résultat ? Toutes ces vérifications sont venues confirmer nos mesures. Au vu des implications d'un tel résultat, il nous a alors semblé nécessaire que d'autres mesures indépendantes viennent confirmer ou infirmer nos mesures. C’est pourquoi nous avons décidé de rendre public l'intégralité de nos résultats [ndr : les données de l'équipe OPERA ont été mises en ligne le 23 septembre 2011 sur le serveur de prépublication arxiv.org]

Y a-t-il des expériences antérieures dont les résultats annoncaient les votres ?

Dario Autiero : Oui. En 2007, les chercheurs qui travaillent sur le dispositif américain MINOS, avec l'accélérateur de particules du Fermilab, dans l'Illinois,sont parvenus aux mêmes conclusions que nous : ils ont observé eux aussi que les neutrinos émis par leur accélérateur de particules avaient une vitesse plus grande que la lumière. Le décalage qu'ils ont observé était d'ailleurs plus grand encore que le notre, puisqu'il était de 126 nanosecondes, alors que nous avons relevé de notre côté un décalage de 60 nanosecondes. Mais ils ont considéré que ce décalage n'était pas suffisamment significatif, car leur taux d'incertitude était trop élevé. En effet, il était de 74 nanosecondes, soit plus de 7 fois plus élevé que celui de l'expérience OPERA.

Toutefois, notez bien que malgré ce taux d'incertitude élevé, le décalage observé par eux représentait quand même presque le double de leur taux d'incertitude, puisqu'il était de 1,8. Mais ils ont préféré rester prudent, et ont choisi l'option de considérer que ce n'était pas significatif. Leur objectif est de répéter cette expérience avec un taux d'incertitude plus bas. Quoi qu'il en soit, ces travaux de MINOS menés en 2007 allaient bel et bien dans le sens de notre résultat.

Des travaux menés en 1997 sur les neutrinos émis par la Supernova 1987A, qui avaient aussi montré un décalage entre la vitesse de la lumière et celle des neutrinos, vont-ils également dans le sens de vos résultats ?

Dario Autiero : Non. Car il s'agit dans ces travaux de antineutrinos électroniques. Or l'équipe de l'expérience OPERA a travaillé sur la vitesse des neutrinos muoniques. Lesquels ont une énergie 1000 fois supérieure à celle des antineutrinos électroniques émis par la Supernova 1987A. Enfin, le décalage observé par ces travaux sur la Supernova 1987A avaient certes montré l'existence d'un décalage entre la vitesse des neutrinos et celle de la lumière, mais nettement plus faible que celui que nous avons relevé.

Aujourd'hui, qui sont les acteurs capables de confirmer, ou d'infirmer, vos résultats ?

Dario Autiero : Les mieux placés sont les chercheurs de MINOS justement. D'ailleurs, ils sont actuellement en train d'améliorer leur dispositif afin d'abaisser le taux d'incertitude qui affecte leurs mesures de vitesse des neutrinos. Normalement, ils devraient pouvoir répliquer nos travaux très bientôt, et livrer peut-être leurs premiers résultats au cours de l'année 2012.

L'expérience Tokai to Kamioka, au Japon, peut-elle elle aussi répliquer vos mesures ?

Dario Autiero : Je connais bien l'expérience Tokai to Kamioka car c'est une expérience internationale à laquelle je collabore. Tokai to Kamioka fonctionne sur le même principe que l'expérience OPERA et celle de MINOS : les neutrinos sont envoyés par l'accélérateur J-PARC, et sont détectés 295 km plus loin sur le site de Super-Kamiokande. Mais je pense que ce dispositif a moins de chances que celui de MINOS de répliquer convenablement nos mesures, car le niveau d'énergie des faisceaux de neutrinos produits par Tokai to Kamioka est trop bas. De ce fait, ils ne pourraient pas effectuer leurs mesures de vitesse sur un aussi grand nombre d'évènements que celui permis par le dispositif OPERA. Là où nous avons effectué nos mesures sur quelques 16 000 évènements, ils n'auraient pu raisonner que sur quelques centaines d'évènements.

Quelles sont les implications théoriques de cette différence entre la vitesse des neutrinos et celle de la lumière ?

Dario Autiero : Nous avons pris le parti de ne pas commenter les implications théoriques de ce résultat. Pourquoi ? Car nous sommes des expérimentateurs, et non des théoriciens. Tout ce que nous souhaitons est que, si nos mesures sont un jour confirmées, les théoriciens s'emparent de nos travaux et en déduisent un nouveau cadre théorique.

Quelles sont les prochaines étapes de vos travaux sur la vitesse des neutrinos ?

Dario Autiero : Nous avons besoin de confirmer notre résultat. Même si le décalage entre la vitesse des neutrinos et celle de la lumière représente 6 fois notre marge d'erreur, ce qui est un ratio excellent, nous devons encore apporter des améliorations à notre dispositif pour extraire de cette expérience des informations complémentaires, et pour effectuer des études croisées avec d'autres techniques, indépendantes de celles que nous avons utilisées.
Nous travaillons déjà sur de nouvelles idées pour améliorer encore la qualité de notre dispositif. Nous réfléchissons aussi à de nouveaux moyens de calculer le temps de parcours des neutrinos, qui viendraient compléter les outils de mesure du temps dont nous disposons déjà. Je pense que nous pourrons entamer de nouvelles mesures d'ici un an et demi.