Les particules fantômes pourraient augmenter la production d’or lors des collisions d’étoiles à neutrons.

La façon dont les neutrinos se transforment lors de la fusion de deux étoiles à neutrons pourrait jouer un rôle déterminant dans le déroulement même de la collision.

Pour la première fois, une équipe de physiciens a modélisé, par simulation, la manière dont les neutrinos changent de saveur pendant un événement de fusion. Leurs résultats indiquent que le simple fait d’ajuster les paramètres et les conséquences de ces transformations modifie aussi les issues de la fusion, notamment la production d’éléments lourds issus du processus r (comme l’or et le platine) dans l’explosion violente de kilonova.

Plus encore, lorsque les transformations des neutrinos sont totalement retirées de la simulation, la production d’éléments lourds chute, pouvant diminuer jusqu’à un ordre de grandeur.

"Les simulations antérieures de fusions d’étoiles à neutrons en binaire n’ont pas intégré la transformation de la saveur des neutrinos", explique la physicienne Yi Qiu de l’Université d’État de Pennsylvanie.

"C’est en partie parce que ce processus se déroule à l’échelle de la nanoseconde et qu’il est très difficile à saisir, et en partie parce que, jusqu’à récemment, nous ne disposions pas de suffisamment d’éléments sur la physique théorique qui sous-tend ces transformations, lesquelles se situent en dehors du modèle standard de la physique.

"Dans nos nouvelles simulations, nous avons constaté que l’ampleur et l’endroit où les neutrinos se mélangent et se transforment influencent la matière éjectée par la fusion, la structure et la composition de ce qui subsiste après l’événement - le résidu - ainsi que le matériau qui l’entoure."

Souvent surnommés « particules fantômes » en raison de leur masse infime et de leurs interactions limitées avec les autres particules, les neutrinos existent sous trois « saveurs », associées aux particules correspondantes : électron, muon et tau.

Des effets quantiques amènent ces particules minuscules à osciller d’une saveur à l’autre au cours de leur propagation, et la forme finale qu’elles adoptent conditionne leurs interactions avec les particules rencontrées. Dans des conditions extrêmes, ces échanges de saveur peuvent changer considérablement la donne.

Or, les collisions d’étoiles à neutrons figurent parmi les phénomènes les plus extrêmes, impliquant certains des objets les plus denses de l’Univers. Qiu et ses collègues ont donc simulé les transformations des neutrinos au cours de ces collisions, en faisant varier plusieurs paramètres, y compris ceux liés aux transformations elles-mêmes.

Transformations de saveur des neutrinos : focus sur la conversion électron–muon

Les chercheurs se sont surtout concentrés sur la conversion des neutrinos électroniques en neutrinos muoniques, considérée comme la transformation la plus pertinente dans l’environnement d’une fusion.

On sait déjà que les collisions d’étoiles à neutrons agissent comme des « usines » à éléments lourds. La fusion au cœur des étoiles ne peut former des éléments que jusqu’au fer ; au-delà, c’est le processus r, ou processus de capture rapide de neutrons, qui permet de produire certains autres éléments, comme l’or, l’uranium et le strontium.

"Les neutrinos de type électron peuvent prendre un neutron, l’une des trois composantes de base d’un atome, et le transformer en deux autres, un proton et un électron. Mais les neutrinos de type muon ne peuvent pas le faire. Ainsi, la conversion des saveurs de neutrinos peut modifier le nombre de neutrons disponibles dans le système, ce qui influence directement la création de métaux lourds et d’éléments des terres rares", détaille le physicien David Radice, également à l’Université d’État de Pennsylvanie.

"De nombreuses questions persistent encore sur l’origine cosmique de ces éléments importants, et nous avons constaté que la prise en compte du mélange des neutrinos pouvait augmenter la production d’éléments jusqu’à un facteur de 10."

Selon l’équipe, ces transformations pourraient aussi accroître la luminosité des ondes gravitationnelles après la fusion, jusqu’à 20 %. Toutefois, de grandes incertitudes demeurent. Par exemple, les chercheurs ne savent pas encore précisément comment et à quel moment ces transformations se déclenchent lors des fusions d’étoiles à neutrons. Des simulations plus fines pourraient contribuer à lever ces inconnues.

"Notre compréhension actuelle laisse penser qu’elles sont très probables, et nos simulations montrent que, si elles se produisent, elles peuvent avoir des effets majeurs, ce qui rend important de les intégrer dans les futurs modèles et analyses", conclut Qiu.

Ces travaux ont été publiés dans la revue PRL.