Puzzle de neutrinos plus rapide que la lumière revendiquée résolu par la relativité restreinte

Cela fait maintenant trois semaines que l'extraordinaire nouvelle que les neutrinos voyageant entre la France et l'Italie avaient été enregistrés se déplaçant plus vite que la lumière. L'expérience, connue sous le nom d'OPERA, a révélé que les particules produites au CERN près de Genève sont arrivées au laboratoire du Gran Sasso en Italie environ 60 nanosecondes plus tôt que ne le permet la vitesse de la lumière.

Le résultat a envoyé une vague d'enthousiasme à travers la communauté de la physique. Depuis lors, plus de 80 articles sont parus sur arXiv pour tenter de démystifier ou d'expliquer l'effet. Il est juste de dire, cependant, que le sentiment général est que l'équipe OPERA a dû oublier quelque chose.

Aujourd'hui, Ronald van Elburg de l'Université de Groningue aux Pays-Bas fait valoir de manière convaincante qu'il a trouvé l'erreur.

Tout d'abord, passons en revue l'expérience, dont le concept est simple : une mesure de distance et de temps.

La distance est simple. La localisation de la production de neutrinos au CERN est assez facile à mesurer à l'aide du GPS. La position du Laboratoire du Gran Sasso est plus difficile à cerner car il se trouve sous une montagne haute d'un kilomètre. Néanmoins, l'équipe d'OPERA dit qu'elle a cloué la distance de 730 km à 20 cm près.

Le temps de vol des neutrinos est plus difficile à mesurer. L'équipe OPERA dit qu'elle peut mesurer avec précision l'instant où les neutrinos sont créés et l'instant où ils sont détectés en utilisant des horloges à chaque extrémité.

Mais la partie délicate est de garder les horloges à chaque extrémité exactement synchronisées. Pour ce faire, l'équipe utilise des satellites GPS, qui diffusent chacun un signal horaire très précis depuis une orbite à quelque 20 000 km au-dessus de la tête. Cela introduit un certain nombre de complications supplémentaires dont l'équipe doit tenir compte, comme le temps de trajet des signaux GPS au sol.

Mais van Elburg dit qu'il y a un effet que l'équipe OPERA semble avoir négligé : le mouvement relativiste des horloges GPS.

Il est facile de penser que le mouvement des satellites n'a pas d'importance. Après tout, les ondes radio transportant le signal horaire doivent voyager à la vitesse de la lumière, quelle que soit la vitesse des satellites.

Mais il y a une subtilité supplémentaire. Bien que la vitesse de la lumière ne dépende pas du cadre de référence, le temps de vol le fait. Dans ce cas, il y a deux référentiels : l'expérience au sol et les horloges en orbite. Si ceux-ci se déplacent les uns par rapport aux autres, cela doit être pris en compte.

Alors, quel est le mouvement des satellites par rapport à l'expérience OPERA ? Ces sondes orbitent d'ouest en est dans un plan incliné à 55 degrés par rapport à l'équateur. De manière significative, cela correspond à peu près à la trajectoire de vol des neutrinos. Leur mouvement relatif est alors facile à calculer.

Ainsi, du point de vue d'une horloge embarquée sur un satellite GPS, les positions de la source de neutrinos et du détecteur changent. Du point de vue de l'horloge, le détecteur se déplace vers la source et, par conséquent, la distance parcourue par les particules observées depuis l'horloge est plus courte, explique van Elburg.

Il entend par là plus court que la distance mesurée dans le référentiel au sol.

L'équipe OPERA ignore cela car elle considère les horloges comme étant au sol et non en orbite.

Quelle est la taille de cet effet ? Van Elburg calcule que cela devrait provoquer l'arrivée des neutrinos 32 nanosecondes plus tôt. Mais cela doit être doublé car la même erreur se produit à chaque fin de l'expérience. La correction totale est donc de 64 nanosecondes, presque exactement ce que l'équipe OPERA observe.

C'est impressionnant, mais cela ne veut pas dire que le problème est réglé et dépoussiéré. L'examen par les pairs est une partie essentielle du processus scientifique et cet argument doit tenir bon sous l'examen de la communauté en général et de l'équipe OPERA en particulier.

S'il tient debout, cet épisode sera chargé d'ironie. Loin de briser la théorie d'Einstein du relatif, la mesure plus rapide que la lumière s'avérera être une autre confirmation de celle-ci.

Réf : arxiv.org/abs/1110.2685 : Temps de vol entre une source et un détecteur observés à partir d'un satellite GPS.

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