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2 octobre 2011 7 02 /10 /octobre /2011 23:13

Certains de mes lecteurs assidus (à vrai dire j'ai du mal à savoir combien ils sont, je crains que les visites régulières ne soient surtout le fait de robots de moteurs de recherche !) s'inquiètent du silence soudain de ce blog. L'explication est simple, la rentrée universitaire qui est particulièrement difficile et chargée cette année. Je ferai peut être d'ailleurs un billet à ce propos, pour m'interroger pourquoi les soi-disants progrès continuels dans la gestion des affaires, l'informatisation croissante, les nouvelles technologies, l'ouverture au monde, finissent par se traduire pratiquement systématiquement par des lourdeurs administratives de plus en plus insupportables, des blocages insolubles, et un mécontetement généralisé des usagers. Bref. 

 

Pour nous distraire un peu, je vais évoquer une affaire qui fait grand bruit : la récente annonce d'une collaboration nommée OPERA, travaillant avec le CERN, que des particules étranges, les neutrinos, pourraient aller plus vite que la lumière ! ceci violerait la théorie d'Einstein, même si cela fait longtemps que certains théoriciens s'étaient interrogés sur cette possibilité. Mais aucune détection n'avait confirmé une telle possibilité jusque là. Aller plus vite que la lumière pourrait, en théorie, conduire à des paradoxes insolubles du type remonter dans le temps, sauf à admettre des propriétés très particulières de particules qui auraient cette vitesse (qu'on appelle de façon générique des "tachyons"). Les neutrinos d'OPERA sont ils les premiers exemples connus de ce phénomène ?

 

La révolution serait si importante que beaucoup de physiciens restent très prudents. Le principe de l'expérience est relativement simple. A l'aide d'un accélérateur, situé au CERN vers Genève, les physiciens créent un faisceau très rapide de ces particules , les neutrinos. Ce faisceau est dirigé vers un détecteur situé 730 km plus loin, en Italie, dans un tunnel très profond au Gran Sasso. Pourquoi un tunnel? parce que les neutrinos sont les seules particules à pouvoir traverser allègrement la Terre sans pratiquement rien sentir, tellement ils interagissent peu avec la matière. Pour eux, la Terre est transparente (et nous aussi, nous sommes continuellement traversés par des milliards de neutrinos cosmologiques qui ne nous font pas le moindre effet).Et donc, dans un tunnel, on ne mesure pratiquement qu'eux. En mesurant très précisément le temps séparant la production de la détection, et connaissant très précisément la distance, on peut en déduire la vitesse par une formule très simple du lycée : v = d/T. Le résultat est tombé : même en tenant compte de tous les effets instrumentaux connus, la vitesse mesuré des neutrinos serait un pouillème plus rapide que celle de la lumière. 6 km/s de plus par rapport à une vitesse de c = 299  792,458 km/s (et non 300 000 exactement comme on le dit parfois). Autrement dit les neutrinos iraient à 299 798 km/s et des poussières.

http://www.science.gouv.fr/images/article/cnrs_opera_13092006/cern_opera2250.jpg
Un écart aussi petit peut paraitre anodin, en réalité, il aurait des conséquences immenses. la vitesse c de la lumière est censée etre une limite ABSOLUMENT infranchissable, meme de 1 millimètre par seconde ! toute la physique en serait bouleversé. Cet écart fait que les neutrinos d'OPERA semblent arriver 60 milliardièmes de secondes (ou nanosecondes) trop tôt, une avance de 20 mètres .. sur 730 km. Evidemment la question immédiate est : mais est ce qu'on n'a pas pu faire une erreur sur la distance ou sur le temps ? les physiciens d'OPERA assurent que non. La distance est mesurée très précisément par GPS à 20 cm près, le temps est mesuré par des horloges atomiques de précision, tout a été calibré.. ils ne trouvent pas d'erreur. 

La plupart des critiques "rapidement publiées" ont été démenties. Beaucoup d'articles essayent alors d''expliquer cela par un "vrai" phénomène où les neutrinos iraient vraiment plus vite que c ! est-ce vraiment sûr? la messe est-elle dite ? faut-il enterrer Einstein, comme les médias l'ont annoncé peut être un peu rapidement ?

Eh bien ... pas sûr. D'abord il n'y a qu'un seul résultat qui le montre. Ensuite il y a des bizarreries dans ce résultat. D'abord des neutrinos peuvent être produits naturellement dans l'Univers, et en particulier au moment des explosions de supernova. Ces évènements sont très rares, une fois tous les 100 ans dans notre galaxie, et encore toutes ne sont pas visibles. Mais les astronomes ont eu la chance d'en observer une, pas exactement dans notre Galaxie, mais dans une petite galaxie satellite qu'on appelle le Grand Nuage de Magellan. Grand parce qu'il y en a deux : le Grand et le Petit. Nuage parce qu'il apparait la nuit comme une petite tache blanche dans le ciel, un peu comme la Voie Lactée mais détaché d'elle et plus petit, et de Magellan... car c'est Magellan qui les a découverts au cours de son tour du Monde, tout simplement parce qu'ils ne sont pas visibles dans notre hémisphère, mais seulement dans l'hémisphère Sud. Si vous allez aux tropiques ou dans l'hémisphère Sud, vous les voyez sans problème. Donc en 1987, une supernova a explosé dans ce nuage, en donnant une étoile visible à l'oeil nu, alors qu'aucune étoile normale n'arrive à être vue individuellement.

http://www.oberlin.edu/physics/dstyer/Astronomy/Supernovae/SN1987A.jpg

Image du Grand Nuage de Magellan avant l'explosion (à gauche) et après (à droite). L'étoile "progénitrice" qui a explosé est le petit point brillant indiqué par la flèche. Sa luminosité après l'explosion augmente de milliards de fois en quelque secondes.

 

En réalité la supernova n'a pas explosé en 1987 , elle a été VUE en 1987, mais elle avait explosé il y a 180 000 ans ... le temps que la lumière met pour nous parvenir de cette petite galaxie ! Elle est en effet à environ 180 000 années lumière... Or, fait remarquable, les détecteurs de neutrinos ont enregistré un signal pratiquement en même temps que la lumière nous parvenait (quand l'étoile est devenue soudain très brillante), moment assez précisément reperé par les astronomes qui regardaient le ciel à ce moment là. On pense qu'ils sont arrivés dans un intervalle de quelques minutes, sauf un instrument qui les auraient vu quelques heures avant. Ces quelques heures posent problème... mais un seul a trouvé ça, et à la limite du bruit. Le problème, c'est que si les résultats d'OPERA étaient corrects et valables pour les neutrinos de la supernova, ils auraient du arriver bien plus tôt, en réalité des ANNEES plus tot ! on n'aurait donc jamais dû les voir en coincidence ... 

Il y a une solution possible : les neutrinos de la supernova sont environ 1000 fois moins énergétiques que ceux du CERN. On peut penser alors à un effet qui varierait selon l'énergie ... Mais il y a un nouveau problème, l'expérience OPERA a essayé de voir si ça faisait une différence de considérer les neutrinos un peu plus énergétiques ou un peu moins, en séparant en deux la population (un peu comme si on mettait les petits d'un coté et les grands de l'autre). L'énergie moyenne de tout le paquet est de 30 GeV soit 30 milliards d'électron volts (l'électron volt est une unité couramment employée et est environ égale à l'énergie d'un photon de lumière visible, ou plutot, infrarouge). Les plus énergétiques en ont en moyenne 43 GeV, les moins rapides 17 GeV, ce qui fait presque un facteur 3 .. mais aucune différence significative de vitesse n'a pu être mesurée. C'est gênant, parce qu'il faudrait d'un coté que la vitesse dépende de l'énergie .. et de l'autre non ! 

alors? il faudrait imaginer des solutions assez compliquées pour expliquer tout ça .. sauf.. sauf si il y a un effet auquel on n'aurait pas encore pensé ! eh bien, votre serviteur, l'auteur de ces lignes, vient d'envoyer un article faisant une proposition d'explication, qui ne fait appel à AUCUNE physique étrange et permet de tout expliquer sans violation de la relativité ! l'idée que j'ai eue est assez simple et il est un peu surprenant que personne n'y ait pensé. Ou alors elle est complétement foireuse et je me confondrai en plus plates excuses de vous avoir égaré. Voilà, le probleme est que le faisceau en lui meme dure bien plus longtemps que 60 nanosecondes. On ne mesure donc jamais un "tip" de départ et un "top" d'arrivée comme avec un sprinter. C'est plutot une mesure statistique sur un très grand nombre de neutrinos qui s'étalent sur un très grand paquet... un peu comme le Marathon de New York, dans lequel on ne distinguerait aucun coureur en particulier. Ce n'est que sur la statistique des départs et des arrivées qu'on voit en moyenne un écart de 60 nanosecondes. Or, j'explique dans mon article que cet écart pourrait arriver naturellement si la probabilité de détection change au cours du temps quand le faisceau arrive. En effet, la forme du faisceau détecté serait alors légèrement différente de celle du faisceau émis.. et cette petite différence pourrait se manifester comme un décalage du temps MOYEN (mais pas "individuel") d'arrivée de l'ensemble du faisceau. Est ce que cette probabilité peut changer au cours du temps ? oui, si l'énergie moyenne des neutrinos émis varie entre le début et la fin du pulse, ce qui , de ce que je connais de la physique des accélérateurs, ne me semble pas impossible. En effet en "démarrant" et en "coupant" le faisceau, les particules de différentes énergies n'y sont pas sensibles de la même façon, et donc leur proportion relative pourrait changer ....

 

J'ai meme fait une petite simulation en montrant que l'effet d'une variation de la probabilité de détection (courbe en rouge par rapport à celle en noir sans cette variation), etait quasiment indiscernable d'une vitesse un peu plus rapide que c (pointillés verts) - mais sans nécessiter cette hypothèse. 

 

figure1.jpg

 

L'article se trouve sur le site gratuit arXiv de publication en ligne : http://arxiv.org/abs/1110.0239

Voilà, ce n'est qu'une proposition , avec le jeu normal de la science. On fait une proposition, et on attend que les critiques vous tombent sur le poil. Je vous tiendrai au courant de l'accueil que suscite cette proposition ! j'espère au moins que les héritiers d'Einstein me remercieront des efforts que je fais pour lui ...

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Published by climatenergie
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commentaires

skept 09/10/2011 16:59


Olivier : je l'ignore, l'article d'origine de l'équipe OPERA précise les différentes sources connues des marges d'erreur dans le calcul et, de l'aveu même des auteurs, il a été publié parce que
l'équipe ne voyait pas l'origine possible du biais de mesure malgré toutes les vérifications tentées. Donc, cela me semble un peu normal que des physiciens "jouent le jeu" qui leur est presque
explicitement proposé et suggèrent ce qui leur vient à l'esprit sur la base de la lecture du premier article (en dehors de l'équipe, ils n'ont que cela à se mettre sous la dent). En temps "normal",
le résultat aurait été publié dans une revue de physique et on aurait attendu les commentaires, à charge pour le comité de lecture de la revue de les sélectionner. Là, c'est un peu plus "sauvage",
mais pas si différent je trouve. Mais bon, je regarde cela de loin parce que je n'ai qu'une idée très vague des concepts, des méthodes ou des instruments dans ce champ précis...


Olivier 09/10/2011 15:18


Skept : je lis les mêmes articles que vous sur ce sujet… ;-)

Il me semble que la plupart des objections n'auraient pas lieu d'être si leurs auteurs étaient un peu plus au courant des méthodes et du travail de l'équipe des « découvreurs ».

Je crois que, pour ces réactions, nous sommes face à un effet de masse et de visibilité qui n'existe que parce que l'affaire se déroule, en partie, sur le net : tout le monde peut poster ses
objections, sans même connaître la somme de travail de l'équipe en amont. Ce qui donne l'impression qu'il existe de nombreuses objections, alors que la plupart n'en sont pas.

Gilles a des compétences pointues en physique et en maths : nous le savons.
Gilles a une idée sur le dispositif expérimental et le traitement des données de ces neutrinos trop rapides : très bien.
Mais Gilles ignore à peu près tout des conditions de l'expérimentation, du traitement des données, des discussions au sein de l'équipe Opéra, des objections déjà formulées. Or, je soupçonne que,
face à ce résultat surprenant, les objections ont déjà du être très fortes et fort nombreuses au sein de l'équipe Opéra.
Autrement dit, réagir aux résultats de l'équipe Opéra et proposer une solution sans connaître à fond toutes les conditions de la manip et tout ce qui a déjà été formulé, sans que cela soit
nécessairement imprimé dans l'article, n'est-ce pas aller un peu vite en besogne ?


climatenergie 09/10/2011 17:08



Olivier, l'article décrit assez sommairement l'expérience, mais donne une idée quand meme assez générale de la démarche suivie , qui n'a rien de très compliquée : on a un pulse de protons au
départ, on a un pulse de neutrinos à l'arrivée, et on mesure la différence de temps entre les deux !


 


l'essentiel de l'article est consacré à justifier que la mesure de temps est très précise et qu'il n'y a pas d'erreur. Il est assez vite apparu à certains, dont  moi, que l'interprétation de
la comparaison des temps n'étaient quand même pas simple vu qu'il s'agissait de comparer toute une distribution de temps larges, fait mis en avant par les auteurs eux même. Autrement dit on ne
mesure jamais UNE particule au départ et UNE particule à l'arrivée en coincidence. L'idée qu'il pourrait y avoir des effets spurieux dus à la comparaison "collective" est donc assez naturelle.
L'article ne discute pas ces effets. 


Discuter avec les auteurs, ça veut dire quoi? vous avez vu le nombre d'auteurs? vous savez comment marchent ce genre de collaboration? c'est un peu le Titanic ! la meilleure façon de discuter une
idée, celle suivie par presque tous ceux qui ont réagi, est donc la publication rapide par arXiv, ou par certains, par leur blog, de leur idée. J'ai naturellement envoyé immédiatement au porte
parole de la collaboration mon papier en leur demandant leur commentaire. Je n'ai reçu aucune réponse, et l'article de Nature le mentionnant dit la même chose : ils n'ont pas répondu à leur
sollicitation. Si ils avaient déjà bien réfléchi au problème, ils auraient dû y répondre rapidement non ? Il y a eu certes beaucoup de réactions, mais la plupart partaient dans des théories
alambiquées de particules tachyoniques auxquelles les expérimentateurs sont bien en peine de répondre. Moi je mettais l'accent sur un phénomène purement expérimental qu'ils n'avaient pas l'air de
discuter. J'attends toujours leur réponse ! 



skept 09/10/2011 14:26


Olivier : comme l'observait l'article du Monde cité plus haut, les auteurs semblent débordés par les objections. Que cela passe par des articles arXiv (avec donc un effort de formalisation et la
possibilité pour toute la communauté de contre-objecter) est sans doute le procédé le plus efficace, non?


Olivier 09/10/2011 14:20


Gilles,

Il y a une chose qui me turlupine dans votre démarche : êtes vous certain que les auteurs de cet article n'ont pas déjà tenu compte de ce problème, et qu'ils l'ont éliminé, sans toutefois le
mentionner dans leur papier, comme ils ont déjà pris en compte et éliminé tout un tas d'objections, sans le mentionner explicitement ?

Autrement dit, avant de vous précipiter pour rédiger votre propre contribution, n'aurait-il pas été plus astucieux d'écrire aux auteurs en leur demandant ce qu'il en était…

Cordialement.

Olivier


Robert 09/10/2011 11:36


Bravao pour cet article Giles, je vous préfère nettement dans ce rôle. J'ai personnellement un peite question, je n'arrive pas à comprendre comment on peut identifier des neutrinos à savoir être
cetain que ceux qu'on réceptionne à Gran Sasso sont bien ceux qui ont été expédiés du CERN


climatenergie 09/10/2011 14:01



Bonjour 


 


ah oui? mais peut être que pour les physiciens d'OPERA, c'est le contraire, ils me préféraient dans l'autre rôle :). Blague à part, ce n'est pas vraiment un problème d'identifier les neutrinos.
Les neutrinos du CERN sont produit avec une énergie de plusieurs dizaines de milliards d'électron volt ( par comparaison, un électron volt est en gros l'énergie d'un photon infrarouge proche, et
l'énergie typique d'une particule à la température ordinaire est d'environ un dixième d'eV). Ces neutrinos interagissent dans le détecteur et produisent un muon qui a quasiment l'énergie
initiale, egalement des milliards d'électron volts, et on mesure ensuite le dépot d'énergie dans le détecteur. Il n'y a que le CERN qui produise des neutrinos  à cette énergie ! d'autre part
le temps d'arrivée des neutrinos est précisément corrélé aux bouffées de particules de l'accélérateur, avec un petit décalage d'environ 2 millisecondes (730 km divisé par 300 000 km/s) , c'est
justement la mesure très précise de ce décalage qui a permis de mesurer leur vitesse. Avec donc, comme je le pense, des petits effets subtils dans la mesure qui ont pu etre négligés.