Film Plus vite que la lumière? / Faster than Light? Un film de / A film by Luc Ronat, Christophe Gombert Durée / Duration: 4 CNRS Images Contenu / Content Crédit des images additionnelles / Additional footage credits: 00 :00 à 00 :36 : ESA / Hubble 01 :07 à 01 :10 : CNRS Photothèque / IPNL / Bernard ILLE 01 :11 à 01 :15 : photo affichée dans le laboratoire. 01 :16 à 01 :30 : Animation Jean-Marc Faday CNRS Images/ à partir de «Schéma de la trajectoire des neutrinos à travers la Terre» (CNGS) 2001 CERN 02 :07 à 02 :26 : ESA / Hubble 02 :37 à 02 :51 : NASA 03 :10 à 03 :20 : Max Planck Institut 03 :30 à 03 :58 : ESA / Hubble Rushes Durée/Duration: 21 CNRS Interview de Dario Autiero Présentation du chercheur Dario Autiero (00 :00) (Plan large) Je m appelle Dario Autiero, je suis chercheur au CNRS. Je suis un physicien des particules et je travaille à l institut de physique nucléaire de Lyon. (Plan serré) Je m appelle Dario Autiero, je suis chercheur au CNRS. Je suis un physicien des particules et je travaille à l institut de physique nucléaire de Lyon. Et je suis chercheur dans l expérience OPERA qui est une expérience sur l étude des propriétés des neutrinos qui est gérée par une collaboration internationale. L expérience se trouve en Italie. Elle utilise un faisceau de neutrinos produit par le CERN en Suisse et les groupes qui participent à l expérience sont français, italien, allemand, suisse, belge, russe et japonais. Le résultat (00 :58) (Plan serré) Nous avons mesuré le temps de parcours des neutrinos, qui sont des particules élémentaires, sur une distance de 730 km, ce qui correspond à la distance entre le point de production au CERN à Genève et le laboratoire en Italie du Gran Sasso où nous avons installé notre manip pour la détection des neutrinos. Ces neutrinos ont une anticipation de 60 nano secondes sur cette distance par rapport à la lumière. 60 nano secondes ça veut dire 60 milliardièmes de seconde ou si vous préférez l exprimer en termes de distance, ça fait 20 mètres sur une distance de 730 km. C est la première fois que l on observe qu une particule élémentaire bouge plus rapidement que la lumière. Dario Autiero's interview Researcher Dario Autiero introduces himself (00 :00) (Full shot) My name is Dario Autiero, I am a CNRS researcher. I am a particle physicist and I work at the Institute of Nuclear Physics in Lyon. (Close-up) My name is Dario Autiero, I am a CNRS researcher. I am a particle physicist and I work at the Institute of Nuclear Physics in Lyon. I am also part of the team involved in the OPERA experiment, which focuses on the study of neutrino properties and is conducted by an international scientific collaboration. The experiment is located in Italy. It uses a neutrino beam produced by CERN in Switzerland and involves scientists based in France, Italy, Germany, Switzerland, Belgium, Russia and Japan. Result (00 :58) (Close-up) We have measured the time it took for neutrinos, which are elementary particles, to cover a distance of 730 km between their source at CERN in Geneva and the Gran Sasso laboratory, in Italy, which hosts our neutrino detector. These neutrinos are 60 nanoseconds ahead of light over that distance. Sixty nanoseconds means 60 billionths of a second or, in terms of distance, 20 metres out of a trajectory of 730 km. It is the first time we observe that an elementary particle travels faster than light.
Et c est la première fois que nous mettons en évidence qu une particule élémentaire bouge plus rapidement que la lumière. Nous avons fait une observation très inattendue. Nous avons mesuré le temps de parcours des neutrinos qui sont des particules élémentaires, sur une distance de 730 km, qui correspond à la distance entre le point de production qui se trouve à Genève au CERN et notre détecteur installé dans un laboratoire sous-terrain dans la montagne du Gran Sasso en Italie. Sur cette distance, on a observé que les neutrinos ont une anticipation de 60 nano secondes, ça veut dire 60 milliardièmes de seconde, par rapport au temps qui sera pris par la lumière pour parcourir la même distance. Si vous préférez l exprimer en termes de distance c est une anticipation de 20 m sur 730 km. C est la première fois qu on a une évidence expérimentale fd une particule qui bouge plus rapidement que la lumière. C est un effet complètement inattendu dans le cadre de la physique que l on connait jusqu à aujourd hui. Définition du Neutrino (03 :02) Les neutrinos sont des particules élémentaires neutres qui interagissent très faiblement avec la matière et sont par hasard capable de traverser toute la terre sans interagir. Et vous-même vous êtes traversé par un flux de 70 milliards de neutrinos par cm² par seconde qui vous arrivent du soleil. En effet les neutrinos sont produits naturellement dans les réactions de désintégration béta de la radioactivité et aussi dans le cycle de production d énergie du soleil. Ils sont les particules les plus répandues dans l univers et aussi les particules les plus légères qu on connait parmi les particules massives. Les propriétés des neutrinos ont des implications très profondes au niveau de la physique des particules et des théories des grandes unifications qui expliqueraient par une loi unique les interactions qu on connait aujourd hui entre les particules élémentaires et aussi au niveau de la cosmologie, car ils ont eu un rôle très important dans le Big Bang et ont des conséquences sur la distribution de la matière dans l univers et aussi ils pourront expliquer pourquoi l univers est fait principalement de matière et pas d antimatière. Dispositif expérimental (04 :23) Pour obtenir ce résultat, on a mis en place un mécanisme de production de neutrinos qui se trouve à Genève au CERN, par un accélérateur de particules qui s appelle SPS qui va accélérer des protons qui après produisent des neutrinos par des réactions secondaires de désintégration des autres particules. Ces neutrinos voyagent dans la croute terrestre jusqu au point de détection, notre expérience qui s appelle OPERA et se trouve au Gran Sasso dans un laboratoire sous-terrain. Pour mesurer le temps de parcours on a mis en place un système qui permet de mesurer très précisément le temps de And it is the first time we come across the fact that an elementary particle travels faster than light. We have made a totally unexpected observation. We have measured the time it took for neutrinos, which are elementary particles, to travel 730 km, which is the distance between their source at CERN in Geneva and our detector, located in an underground laboratory in the Italian mountain of Gran Sasso. Over that distance, we have observed that neutrinos were ahead by 60 nanoseconds, in other words 60 billionths of a second, of the time it would take light to cover the same trajectory. Or, in terms of distance, they were 20 meters ahead out of a distance of 730 km. It is the first time that we have experimental evidence of a particle travelling faster than light, which is completely unexpected in physics as we know it. Definition of a Neutrino (03 :02) Neutrinos are neutral elementary particles that hardly interact with matter and can travel through the Earth without ever interacting. To give you an idea, a flow of 70 billion neutrinos per cm 2 /s coming from the Sun constantly flies through your body. Neutrinos are in fact produced naturally by radioactive beta desintegration and by the solar energy production cycle. They are the most common particles in the Universe and also the lightest massive particles known. Neutrino properties have very strong implications in particle physics and in relation to Grand Unification Theories, which would explain by a single law the interactions known to date between elementary particles and in cosmology as a whole. Indeed, they played a crucial role in the Big Bang, they have an impact on the distribution of matter in the Universe, and they may help to explain why the Universe is essentially composed of matter rather than antimatter. Experimental set-up (04 :23) To obtain this result, we set up a neutrino production system at CERN in Geneva. This system relies on a particle accelerator called SPS, which accelerates protons. These then produce neutrinos through secondary disintegration reactions from other particles. These neutrinos travel through the Earth's crust to the detection point as part of our experiment, called OPERA, which is conducted from an underground laboratory at the Gran Sasso. To measure the duration of neutrinos' flight, we have set up a system that makes it possible to measure with extreme precision
production des protons par l accélérateur et le temps de détection des neutrinos dans notre expérience et en particulier on a été capable de synchroniser les mesures de temps entre les deux sites au niveau de la nano seconde, du milliardième de seconde. Pour mettre en place cette mesure on a du développer des techniques de pointe sur la mesure de temps et de l espace et on a fait tout ça en collaboration avec des experts de plusieurs laboratoires européens de métrologie. Historique de l expérience (05 :55) On a démarré cette mesure en 2006 avec la première observation des neutrinos qui venaient du CERN. En 2008 on a installé le système qui nous permet de garantir la précision au niveau du milliardième de seconde. On a pris des données pendant trois ans, en 2009, 2010 et 2011 et finalement en mars de cette année, on s est rendu compte qu on avait observé cette déviation de la vitesse des neutrinos par rapport à la vitesse de la lumière et à ce moment-là on a démarré toute une série de vérification qui a pris six mois pour être certain du résultat. Une nouvelle physique? (06 :45) (Plan moyen) Dans la présentation de ce résultat nous avons décidé d avoir une attitude purement d expérimentateur. On présente les résultats de notre mesure et on a décidé de s abstenir des interprétations théoriques. (gros plan) Dans la présentation de ce résultat nous avons décidé de nous limiter simplement à la description de la mesure qu on a faite et de ne pas rentrer dans son interprétation. Les conséquences qu un effet de ce type peut avoir au niveau de la physique sont trop grandes et il est trop tôt maintenant pour rentrer dans ce type de considération. Les modifications qu un résultat de ce type peut impliquer au niveau des lois de la physique peuvent être résumées comme une structure plus complexe de l espace-temps par rapport à la structure que l on suppose normalement dans la physique que l on utilise aujourd hui. Les neutrinos ont produit ces trente dernières années une longue série de résultats qui ont impliqué de profonds changements dans la physique. Notre résultat, s il est confirmé, ira peut être aussi dans cette direction. Les neutrinos sont des particules très spécifiques qui ont des conséquences très profondes au niveau des lois des grandes unifications entre les interactions connues entre les particules élémentaires et aussi de la cosmologie de la façon dont l univers s est formé et a évolué avec le temps. Ce résultat, s il est confirmé comme une découverte, il nous ouvrira peut-être une petite porte dans la compréhension plus générale, à grande échelle, de la structure de l univers. the accelerator's proton production time and the neutrino detection time. In particular, we have succeeded in synchronizing the measurements at both sites with nanosecond accuracy, in other words with a precision of a billionth of a second. Setting up this procedure meant developing cutting-edge technologies for time and space measurement, which we did in collaboration with experts from several European metrology laboratories. Experiment background (05 :55) We started the experiment back in 2006, with the first observation of neutrinos from CERN. In 2008, we set up the system that enables us to achieve a precision of the order of a billionth of a second. We collected data over three years, in 2009, 2010 and 2011 and finally, in March of this year, we realized that we had observed a difference in neutrino velocity in relation to the speed of light, which prompted us to initiate a sixmonth series of verifications to ascertain this result. New physics? (06 :45) (Medium-close shot) We have decided to adopt a purely experimental approach when presenting this result. We will merely disclose the results of our measurements and abstain from any theoretical interpretation. (close-up) When presenting this result, we have decided to limit ourselves to describing the measurement we have performed without interpreting it. The impact that an effect of this type can have on physics is too big and it is still too early for such considerations. The modifications that a result of this type can produce in the laws of physics can be summarized as a more complex timespace structure in relation to the structure normally inferred in the physics we use today. In the past 30 years, neutrinos have produced a long series of results that have deeply changed physics. Our result, should it be confirmed, may also contribute to this change. Neutrinos are highly specific particles that have a very significant impact on Grand Unification theories of the known interactions between elementary particles, as well as on cosmology or how the Universe formed and evolved over time. This result, should it be confirmed as a discovery, may open a door towards the overall, large-scale comprehension of the structure of the Universe.
Résultats confirmés. Bientôt une découverte? (08 :55) (plan large) Dans la physique, si vous observez un nouvel effet, il faudra qu il soit confirmé indépendamment par une autre expérience utilisant une technique la plus différente possible par rapport à la technique que vous avez utilisée. Et on espère avoir une confirmation de ce type par nos collègues, de sorte que les faits que nous avons observés puissent être considérés comme une découverte. (gros plan) Notre observation est pour l instant un résultat qu on a vérifié par plusieurs moyens, mais il est demandé pour toutes les découvertes une vérification indépendante réalisée par une autre expérience avec des moyens le plus possible différents par rapport aux moyens qu on a utilisés. Nous-mêmes nous avons pensé à des améliorations de notre mesure qui très probablement seront mises en pratique dans les années à venir. Résultat étonnant (10 :05) Personnellement j avais des préjugés de trouver que le neutrino devait bouger à la vitesse de la lumière. J étais très étonné après du résultat de la mesure et de voir expérimentalement qu à la fin le neutrino bougeait plus rapidement que la lumière. Results confirmed. Soon a discovery? (08:55) (Full shot) In physics, the observation of a new phenomenon must be confirmed by another independent experiment, using a technique as different as possible from that used during the first experiment. We hope to obtain such confirmation from our colleagues, so that the facts we have observed can be considered as a discovery. (close up) Our observation so far is a result that has been verified by various means. Yet an independent verification through another experiment using methods as different as possible to those used during the first experiment is necessary before we can call it a discovery. A surprising result (10 :05) Personally, I was convinced that neutrinos travelled at the speed of light. The result of the measurements therefore came as a complete surprise and I was amazed at the experimental fact that neutrinos, in the end, were faster than light. Plans divers (10 :32) Miscellaneous shots (10 :32) Interview de Pierre Binetruy Les conséquences théoriques de ce résultat (16 :53) Je suis Pierre Binetruy. Je suis directeur du laboratoire Astroparticules et Cosmologie et je suis théoricien beaucoup intéressé par les questions qui vont de la cosmologie à la physique des neutrinos et aussi à des questions plus fondamentales en liaison avec l unification de toutes les forces. (17 :21) La première réaction c est d abord de s attendre à une vérification de ce résultat expérimental par une autre équipe, la deuxième réaction celle du théoricien c est de se dire que peut être c est la physique du neutrino qui est en question et qui doit être complétée. Et c est seulement à ce moment là une fois qu on aura vérifié ces deux hypothèses qu on pourra conclure qu effectivement ce qu on a trouvé dans cette expérience c est que les neutrinos vont à une vitesse plus grande que la vitesse de la lumière et à ce moment là remettre en question l un des fondements de la physique qui s est développée au XXème siècle. (18 :06) S il est confirmé que l information qu un neutrino se déplace à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière, on va remettre en question en partie la théorie de la relativité. C est inattendu Pierre Binetruy's Interview Theoretical impact of (the experiment') result (16:53) I am Pierre Binetruy. I am the director of the Astroparticles and Cosmology laboratory. As a theoretician, I am particularly interested in issues ranging from cosmology to neutrino physics and to more fundamental questions related to the unification of forces. (17:21) My first reaction is first to expect another team to verify this experimental result. My second reaction, as a theoretician, is to wonder whether neutrino physics is called into question and needs completing. Only once these hypotheses have been verified will it be possible to conclude that this experiment has actually found that neutrinos travel faster than light and to challenge one of the fundamentals of physics as it developed in the 20th century. (18:06) If it is confirmed that a neutrino travels faster than light, it will partly challenge the theory of general relativity. This is unexpected as there has never been any experimental proof to
puisque jusqu à maintenant aucunes preuves expérimentales, tout concourait à confirmer cette théorie. D un point de vue peut être plus (non pas expérimental) mais plus théorique, ce genre d infirmation de la théorie était un tout petit peu attendu parce qu il se trouve qu on a des problèmes à réconcilier la théorie de la relativité d Einstein avec la théorie quantique (qui sont en fait les deux grandes théories sur lequel repose la physique fondamentale) On a du mal à les réconcilier toutes les deux pour faire une unification de toutes les forces. Et donc on s attendait que la théorie qui va englober les deux grandes théories apparaisse avec certaines violations de soit de la relativité, soit de la théorie quantique. Et donc de ce point de vue là ça va donner des informations extrêmement précieuses ce que pourrait être l ultime théorie de la physique fondamentale. (19 :24) Il est propre que cela va nous donner des renseignements sur la structure même de l espace-temps. Dans le cadre de la théorie quantique, que tout est fluctuation et donc on imagine qu à une très petite échelle l espace et le temps sont elles même fluctuants, donc c est très différent de nos notions de tous les jours où l espace et le temps sont continus. Il se peut qu à très petite dimension l espace et le temps soient des concepts très différents de ceux qui sont accessibles à nos sens et de ce point de vue là le résultat de l expérience OPERA risque de nous donner des informations justement sur la structure intime de l espace et du temps. (20 :17) Le fait que dans le cadre de la théorie d Einstein, les particules ne peuvent pas aller à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière est directement lié à la structure de l espace-temps et donc si on a ce résultat là, il est probable que la structure de l espace-temps à des très petites dimensions est différente celle qu on imagine. C est intéressant parce que ça pourrait s appliquer aux tous premiers instants de l univers dans le cadre de la théorie du Big Bang où l on pense que pour l instant nos équations (celle de la relativité et celle de la théorie quantique) ne s appliquent pas. Il se peut que ce soit la première fenêtre (un petit peu) sur cette nouvelle physique qui serait effective au moment du Big Bang et donc ça a des conséquences extrêmement importantes pour notre compréhension de l univers, la compréhension de l espace, la compréhension du temps. the contrary so far and everything tends to support this hypothesis. From a perhaps more theoretical (rather than experimental) point of view, the fact that the theory should be challenged was not totally unexpected as it is difficult to reconcile Einstein's theory of relativity with quantum theory (which both form the basis of fundamental physics) to come to the unification of forces. This is why the theory including both of these main theories was expected to contain violations of either relativity, or quantum physics. From that point of view, it will therefore provide extremely valuable information on what the ultimate theory of fundamental physics could be. (19:24) It is clear that this will shed light on the very structure of time and space. Within the framework of quantum physics, everything fluctuates and it is thus possible to imagine that on a very small scale, time and space themselves may fluctuate, which radically differs from our daily perceptions, where time and space are continuous. It is possible that, at extremely small scales, time and space may be very different concepts from those perceptible by our senses. From that perspective, the result of the OPERA experiment could precisely provide information on the intimate structure of time and space. (20:17) The fact that, as part of Einstein's theory, particles can't travel at a higher speed than light is directly linked to the time-space structure and this result therefore suggests that, at a very small scale, such structure is significantly different from what we imagined. This is interesting as it could apply to the very first instants of the universe as envisaged by the Big Bang theory, for which we do not think at this stage that our equations (that of relativity and that of quantum theory) are applicable. This may be the first, very small insight into a new physics that would have applied during the Big Bang. It is therefore of paramount importance in our comprehension of time, space and the universe. Contacts CNRS Images (Vidéothèque/ Video Library) : Monique Galland-Dravet - monique.galland-dravet@cnrs-bellevue.fr - +33 (0)1 45 07 57 27 Delphine Thierry-Mieg - delphine.thierry-mieg@cnrs-bellevue.fr - +33 (0)1 45 07 52 15