Une étude, dont les résultats intitulés «Violation of the Leggett-Garg Inequality in Neutrino Oscillations» ont été publiés dans la revue Physical Review Letters et sont disponibles en pdf sur arxiv.org, a permis de tester les fondements de la théorie quantique dans le domaine des neutrinos à hautes énergies.

Rappelons tout d'abord que «la mécanique quantique, dans son interprétation orthodoxe, c’est-à-dire celle dite de Copenhague, du Danois Niels Bohr, interdit de penser qu’un objet possède certaines propriétés avant qu’on ne les mesure». Cependant, comme pour Einstein «l’interprétation de Copenhague et l’usage du calcul des probabilités n'étaient que le reflet d’un manque de connaissance sur ces paramètres cachés», il développa avec deux de ses collègues «une expérience de pensée qui allait devenir célèbre sous le nom de paradoxe EPR».

Le physicien irlandais John Bell montra en 1964 «que cette expérience conduisait à une inégalité avec les résultats de certaines mesures, permettant ainsi de départager les conceptions de Bohr et d’Einstein ou, plus précisément, de savoir si la théorie quantique pourrait être remplacée par une certaine classe de théories à variables cachées».

Autrement dit, Bell a montré que les résultats de ces mesures «doivent violer une inégalité si la théorie quantique orthodoxe est correcte», alors que «ce ne serait pas le cas pour des théories à variables cachées, dites locales, qui ne font pas intervenir de mystérieuses corrélations non locales entre deux mesures séparées dans l’espace».

Une expérience de cet ordre réalisée en 1982 par Alain Aspect et ses collègues «a effectivement trouvé des résultats violant l’inégalité de Bell, prouvant qu’il existe d’étranges corrélations quantiques entre des objets séparés dans l’espace (les idées d’Einstein peuvent survivre cependant avec des théories à variables cachées dites non locales)».

Pour leur part, le prix Nobel de physique Anthony Leggett et Anupam Garg ont poussé, en 1985, «le débat entre Einstein et Bohr un cran plus loin» en proposant «un autre test de la mécanique quantique avec une nouvelle inégalité portant leur nom».

Il s'agit d'un «analogue du théorème de Bell mais dans le temps et non plus dans l’espace», car il «suppose des mesures non pas de deux systèmes physiques en état d’intrication quantique mais plusieurs mesures à des moments différents d'un même système en état de superposition quantique évoluant dans le temps». Par la suite, les expériences sur des systèmes microscopiques, qui ont été réalisées, ont alors bien fait apparaître que l'inégalité de Leggett-Garg était violée «conformément aux prédictions de la théorie quantique orthodoxe».

Pour sa part, l'étude ici présentée rapporte une autre autre expérience, réalisée «à partir du phénomène d’oscillation des neutrinos». Comme «les neutrinos existent sous trois formes (donc trois états quantiques superposés), encore appelées saveurs» qui «se transforment en oscillant sans cesse de l’une à l’autre» en fonction de leur énergie, l'expérience imaginée par Leggett et Garg est réalisable en l'adaptant.

Plus précisément, au lieu «d'effectuer plusieurs mesures séparées dans le temps sur un neutrino individuel, ce qui n’est pas réaliste car elles font disparaître la particule», l'expérience a été réalisée «avec plusieurs neutrinos possédant des énergies différentes» grâce à des faisceaux de neutrinos produits au Fermilab «qui ont été envoyés à travers la croûte terrestre en direction du fameux détecteur de l’expérience Main Injector Neutrino Oscillation Search, Minos, à une distance de 735 km» (sachant que «les neutrinos initialement de type muonique peuvent devenir 'électroniques' dans le détecteur de Minos»).

Du fait que «les corrélations mesurées violent l’inégalité de Leggett-Garg en plein accord avec les prédictions de la mécanique quantique», cette étude confirme à son tour l'interprétation orthodoxe de Copenhague, puisque ce n'est «qu’au moment de la mesure que la nature des neutrinos prendrait une réalité bien définie au sens classique, alors qu’elle resterait une superposition oscillante durant le trajet».