Décorrélation quantique dans les oscillations de neutrinos : résultats de l'expérience KM3NeT/ORCA

Table des matières

Objectif de l’étude

L’article “Search for quantum decoherence in neutrino oscillations with six detection units of KM3NeT/ORCA”, publié en octobre 2024, cherche à détecter des effets de décohérence quantique dans les oscillations des neutrinos atmosphériques. De tels effets pourraient indiquer des interactions fondamentales avec une structure quantique de l’espace-temps, comme le prédisent certaines théories de gravité quantique.

Fondements théoriques

Les oscillations de neutrinos résultent de l’évolution cohérente des états propres de masse. La décohérence quantique, modélisée comme un couplage à un environnement stochastique, peut affaiblir cette cohérence et ainsi modifier les probabilités d’oscillation.

Cette dynamique est décrite par une équation de Lindblad :

\[\frac{d\rho}{dt} = -i[H, \rho] + D[\rho]\]

où \(D[\rho]\) est un terme dissipatif modélisant la décohérence. Sous les hypothèses de conservation de l’énergie et de positivité complète, on peut paramétrer les effets avec deux paramètres principaux :

\[D = -\mathrm{diag}(0, \Gamma_{21}, \Gamma_{21}, 0, \Gamma_{31}, \Gamma_{31}, \Gamma_{32}, \Gamma_{32}, 0)\]

avec

\[\Gamma_{21} = 2|\vec{a}_3|^2, \quad \Gamma_{31} = \tfrac{1}{2}|\vec{a}_3 + \vec{a}_8|^2, \quad \Gamma_{32} = \tfrac{1}{2}|\vec{a}_3 - \vec{a}_8|^2\]

et la relation de dépendance énergétique postule :

\[\Gamma_{ij}(E) = \Gamma_{ij}(E_0)\left(\frac{E}{E_0}\right)^n\]

avec \(n = -2\) ou \(-1\) testés ici.

Méthodologie expérimentale

Les auteurs utilisent les données collectées par KM3NeT/ORCA, un détecteur sous-marin situé au large de Toulon, entre janvier 2020 et novembre 2021, avec six lignes de détection (ORCA6).

Après reconstruction des événements en classes topologiques (muoniques et showers), les données sont confrontées à un modèle simulé par minimisation de vraisemblance. Des incertitudes systématiques sont prises en compte via des paramètres de nuisance.

Résultats expérimentaux

Aucune déviation significative vis-à-vis du modèle standard d’oscillation n’est observée. Les auteurs en déduisent des bornes supérieures sur \(\Gamma_{21}\) et \(\Gamma_{31}\), pour \(n = -2\) et \(-1\).

[FIGURE:1:PLACEMENT] [LEGENDE:1:Probabilités de survie des neutrinos \(\nu_\mu\) et antineutrinos \(\bar{\nu}_\mu\) pour différents scénarios de décohérence avec \(n = -1\) et \(\Gamma_{ij} = 10^{-22}\,\mathrm{GeV}\).]

[FIGURE:2:PLACEMENT] [LEGENDE:2:Différence entre les probabilités de survie avec décohérence et sans, en fonction de l’énergie et de l’angle zénithal. L’effet est visible sur tout le domaine d’angle.]

[FIGURE:3:PLACEMENT] [LEGENDE:3:Scans du rapport de vraisemblance pour \(\Gamma_{21}\) (bleu) et \(\Gamma_{31}\) (vert) selon \(n = -2\) et \(n = -1\). Les lignes pleines correspondent au meilleur ajustement global.]

[FIGURE:4:PLACEMENT] [LEGENDE:4:Contours de confiance (68%, 90%, 95%) pour \(\Gamma_{21}\) et \(\Gamma_{31}\) dans les deux cas \(n = -2\) (gauche) et \(n = -1\) (droite). La région supérieure droite est exclue.]

[FIGURE:5:PLACEMENT] [LEGENDE:5:Contours à 90% pour \(\Gamma_{21}\) et \(\Gamma_{31}\), selon l’ordre de masse (normal ou inversé). L’ordre inversé est favorisé quand \(\Gamma_{21}\) domine.]

Limites et comparaison avec d’autres expériences

Les limites obtenues sont du même ordre de grandeur que celles de DeepCore/IceCube pour des énergies similaires. Elles restent moins contraignantes que celles obtenues à très basse énergie par KamLAND, RENO ou T2K, mais dans une gamme énergétique différente. Elles sont donc complémentaires.

Perspectives théoriques

Ce travail constitue une preuve de principe de la sensibilité d’un détecteur océanique comme ORCA à des effets subtils de physique fondamentale comme la décohérence quantique.

L’absence de signal ne permet pas encore de trancher, mais des améliorations futures, notamment l’extension du détecteur, devraient permettre d’atteindre des sensibilités bien meilleures.

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Informations sur l’article original

Titre original: Search for quantum decoherence in neutrino oscillations with six detection units of KM3NeT/ORCA
Auteurs: S. Aiello, A. Albert, A. R. Alhebsi, M. Alshamsi, et al. (Collaboration KM3NeT)
Source: arXiv: 2410.01388v2
Catégories: HEP-EX
Date de publication: 2 octobre 2024