Physique-Chimie Sirius Term S - Physique - Chimie - Collection Sirius

Ce dossier contient :
- l'annonce de l'anomalie détectée publiée dans un quotidien ;
- une analyse de l'information publiée par un magasine scientifique grand
public ;
- un schéma expliquant les dispositifs de détection de particules.
( L'objectif de cet exercice est de rédiger une synthèse de documents
afin :
- d'expliquer en quoi les résultats annoncés constituent une anomalie pour
les scientifiques ;
- de relever et d'expliquer quelques arguments en faveur ou en défaveur
d'une anomalie due à des erreurs de mesures ;
- de donner des pistes sur les conséquences d'une éventuelle confirmation
des résultats.
Le texte rédigé, de 25 à 30 lignes, devra être clair et structuré et
l'argumentation reposera sur les documents proposés. DOCUMENT 1. Détection d'une anomalie Le 24 septembre 2011 paraissait un article dans la presse quotidienne,
annonçant un résultat enregistré au cours d'une expérience concernant la
physique des particules. Ce résultat était si inattendu que, fait rare dans
le domaine de la recherche fondamentale, tous les médias s'en sont fait
l'écho auprès du grand public aussitôt l'annonce faite par des chercheurs
du CERN. Ces chercheurs ont eux-mêmes tenu l'information secrète pendant
six mois afin d'étayer leur résultat par de nombreux contrôles et calculs. Le résultat a été observé au cours d'une série d'expériences désignée par
l'acronyme OPERA menées par une équipe internationale. Ces expériences
étaient destinées à étudier le comportement des neutrinos, particules de
masse quasi-nulle et interagissant extrêmement peu avec la matière. Ces
particules étaient émises au CERN à Genève et étaient détectées 730 km plus
loin, au laboratoire souterrain du Gran Sasso en Italie (compte tenu de la
faiblesse des interactions, le voyage des neutrinos se fait sans problème à
travers la Terre). Le physicien Dario Autiero a eu l'idée de vérifier le temps de parcours de
ces particules. La longueur du parcours a été mesurée à 20 cm près et le
temps de parcours à 10 ns près. Tous les effets parasites ont été pris en
compte, jusqu'à ceux dus à la dérive des continents. Or, l'équipe de
chercheurs a trouvé que les particules se déplaçait à une vitesse dépassant
de 0,002 % la vitesse de la lumière dans le vide. Le caractère indépassable
de la lumière, un des piliers de la physique, serait donc ébranlé. Document 2. Analyse de l'information publiée Faut-il vraiment y croire ?
Depuis le 23 septembre, la question court dans les laboratoires. Des
particules nommées neutrinos ont-elles réellement voyagé plus vite que la
lumière, entre l'accélérateur du Cern à Genève et le laboratoire de
physique des particules du Gran Sasso, à 730 km de là ?
Si c'est le cas, le « petit neutre » vient de briser le sacro-saint
principe d'inviolabilité de la vitesse de la lumière, au coeur de la
physique depuis Einstein. À l'image de Stavros Katsanevas, certains physiciens sont enthousiastes :
« Qu'il soit confirmé ou pas, le résultat de l'expérience Opera est très
excitant. Je suis persuadé que nous en apprendrons beaucoup », confie le
directeur scientifique de l'IN2P3. Pierre Binétruy, directeur du
laboratoire Astroparticule et cosmologie, partage le même avis et explore
d'ores et déjà les pistes théoriques qui pourraient l'expliquer. D'autres
chercheurs, en revanche, pensent que ce résultat sans validation
indépendante n'aurait jamais dû être rendu public. Sans aller jusque-là,
Peter Wolf se déclare sceptique : « Depuis un siècle, il y a eu de
nombreuses annonces de ce genre et aucune n'a été confirmée », rappelle ce
spécialiste de la mesure du temps au laboratoire LNE-Syrte. Tous, quoi
qu'il en soit, s'accordent sur ce constat : soit une erreur se niche dans
l'expérience, soit la physique du neutrino est mal comprise et mystifie les
physiciens, soit ces particules ont réellement dépassé la vitesse de la
lumière et il faudra bien l'expliquer. Bien que l'équipe d'Opera ait passé plusieurs mois en vérifications, une
source d'erreur cachée a pu leur échapper. Sur le principe, la vitesse des
neutrinos est le rapport entre la distance qu'ils ont parcourue et la durée
du trajet. Selon Dario Autiero, qui a conduit l'expérience Opera, la
distance entre le Cern et le Gran Sasso a été mesurée à 20 cm près grâce à
des GPS. À l'aide d'horloges atomiques, le temps de parcours des neutrinos
a, lui, été chronométré avec une précision de 10 milliardièmes de seconde.
« C'est tout à fait faisable, mais il faut savoir que, dans une chaîne de
mesure, chaque appareil, chaque câble induit un retard électronique dont il
faut tenir compte soigneusement, précise Peter Wolf. Le moindre oubli
expliquerait facilement l'avance apparente des neutrinos ! » L'effet de la
Lune et du Soleil, par les marées, peut jouer aussi sur la distance entre
le Cern et le Gran Sasso. Idem pour la rotation et la gravité de la Terre,
qui influent sur l'estimation du temps mis par la lumière pour faire ce
trajet en ligne droite. La « grande confiance » que Dario Autiero et ses collègues accordent à leur
résultat invite malgré tout à envisager une autre piste : et si le neutrino
nous mystifiait ? Après tout, c'est une particule bizarre.
[...] Si l'on en croit les chercheurs qui ont détecté la bouffée de neutrinos
issus de la supernova du Nuage de Magellan, en 1987, le résultat d'Opera
est forcément faux. À l'époque, malgré la distance phénoménale de
l'explosion, ces neutrinos avaient atteint la Terre pratiquement en même
temps que le flash lumineux. Ils auraient dû avoir trois ans d'avance...
« Sauf que les neutrinos d'Opera sont mille fois plus énergétiques que ceux
de la supernova 1987A » tempère Pierre Binétruy. Il est possible que la
violation de la vitesse de la lumière dépende de l'énergie des neutrinos
-comme des théoriciens l'ont imaginé il y a deux ans-. Pour de nombreux physiciens, l'existence de neutrinos supraluminiques est
quand même difficile à accepter. L'inviolabilité de la vitesse de la
lumière est le pivot de la théorie de la relativité restreinte. Or celle-ci
est testée dans les laboratoires « à la précision de 10-17 », souligne
Peter Wolf. En 2015, l'horloge à atomes froids Pharao (la plus précise du
monde), conçue par le Cnes avec le LEN-Syrte, sera expédiée dans l'espace
pour la préciser davantage. Mais cela n'empêchera pas les théoriciens de réfléchir aux résultats
d'Opera. « Les lois fondamentales et les faits les plus importants de la
science ont tous été découverts, et ils sont désormais si fermement établis
que la possibilité qu'ils soient un jour supplantés à la suite de nouvelles
découvertes est excessivement réduite », écrivait le physicien américain
Albert Michelson en 1899, six ans avant qu'Einstein ne révolutionne la
connaissance. Confrontés à des problèmes qui leur rappellent sans cesse que
la physique n'est pas achevée, les chercheurs contemporains ont retenu la
leçon. Voilà pourquoi, dans la suite, nous avons choisi d'explorer cette
dernière hypothèse, la plus incertaine mais aussi la plus excitante. Et si
les neutrinos détectés par Opera avaient effectivement voyagé plus vite que
la lumière ?
[...] Quelles conséquences pratiques peut-on imaginer à l'existence de particules
plus rapides que la lumière ?
L'histoire nous apprend que les théories physiques les plus efficaces à
décrire le monde, même lorsqu'elles traitent d'objets fort différents de
notre quotidien, se traduisent souvent par des applications pratiques
généralement très éloignées des motivations initiales des physiciens ! La
relativité restreinte d'Einstein (1905), qui traite des notions
fondamentales d'espace et de temps, a rendu possible l'existence quarante
ans plus tard de la bombe atomique. Sans la relativité générale (1915), qui
a révolutionné notre conception de la gravitation, le GPS n'aurait jamais
été inventé dans les années 1970. La physique quantique, conçue dans les
années 1920 pour décrire le monde subatomique, a pour sa part donné
naissance au laser. Si l'observation d'Opera aide à faire naître une
théorie nouvelle, celle-ci aura probablement des conséquences pratiques.
Mais nul ne peut dire lesquelles. D'après Ciel et Espace, David Fossé, novembre 2011
Document 3. Dispositif de détection de particules [pic]