Le neutrino : une particule fantôme. Philippe Rosnet Maître de Conférences Laboratoire de Physique Corpusculaire Université Blaise Pascal CNRS/IN2P3

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1 Le neutrino : une particule fantôme Philippe Rosnet Maître de Conférences Laboratoire de Physique Corpusculaire Université Blaise Pascal CNRS/IN2P3

2 L histoire du neutrino : un bel exemple de démarche scientifique Le neutrino une particule élémentaire venue de loin L énigme des neutrinos solaires Comment la masse vint aux neutrinos La place du neutrino dans l Univers

3 Le neutrino : c est quoi ce truc? Le Petit Larousse (1996) NEUTRINO (n.m. PHYS.) : Particule fondamentale de la famille des leptons, de charge électrique nulle, de masse nulle ou très faible, dont il existe trois variétés associées aux trois autres leptons (électron, muon, tau). LEPTON (n.m.) : Particule insensible à la force nucléaire forte. L électron, son neutrino associé et leurs antiparticules sont des leptons.

5 La radioactivité discrète Exemples de désintégrations radioactives de noyaux atomiques instables : Radioactivité alpha : 238 U 234 Th + α (noyau d hélium) Radioactivité gamma : énergie des photons émis par les noyaux de 137 Cs 662 kev rayons gamma 137 Cs* 137 Cs + γ (photon) Une question d énergie : principe de conservation de l énergie stipulant que «l énergie E ne se perd pas, ne se gagne pas, mais se transforme, la masse m étant une mesure de l énergie contenue dans un objet (E = m c 2 )» E( 137 Cs*) = E( 137 Cs) + E(γ) 2 ev est l énergie moyenne des photons lumineux (particules de lumière) 1 W photons par secondes

6 La radioactivité continue Radioactivité bêta : 14 C 14 N + β + (positron) 32 P 32 S + β - (électron) Énergie des rayons bêta mesurée par James Chadwick en 1914 : E ( 32 P) E( 32 S) + E(β - )

7 Pré-naissance du neutrino o Niels Bohr propose d abandonner le principe de conservation de l énergie o Extraits de la lettre de Wolfgang Pauli (Zurich, 4 décembre 1930) pour le congrès de physique se tenant à Tünbingen : Chères Mesdames, chers Messieurs les Radioactifs, Comme va vous l expliquer avec plus de détails celui qui vous apporte ces quelques lignes et auquel je vous prie d accorder toute votre bienveillante attention, il m est venu en désespoir de cause, [ ], l idée d un expédient pour sauver [ ] le principe de conservation de l énergie. Il s agit de la possibilité qu il existe dans les noyaux des particules électriquement neutres, que je propose d appeler neutrons, [ ]. La masse des neutrons doit être du même ordre de grandeur que celle des électrons, et en tout cas non supérieure à 0,01 de celle des protons. Le spectre bêta continu se comprendrait alors en admettant par hypothèse que lors de toute désintégration bêta est émis, outre l électron, aussi un neutron, de telle sorte que la somme des énergie du neutron et de l électron soit constante. [ ] [ ] Je concède que mon expédient pourrait bien apparaître a priori peu crédible, parce que si les neutrons existaient, on les auraient sans doute vus depuis bien longtemps. Mais il faut oser pour réussir, et la gravité de la situation en ce qui concerne le spectre bêta continu est bien mise en lumière par un propos de mon très éminent prédécesseur, M. Debye, qui me disait récemment à Bruxelles : «Oh, c est comme pour les nouveaux impôts : il vaut mieux ne pas y penser du tout!» [ ]

8 Naissance du neutrino o Découverte d une particule neutre dans le noyau atomique par James Chadwick en 1932 dont la masse est légèrement supérieure à celle du proton (p) c est le neutron (n), mais pas celui de Pauli!!! o En 1933 Enrico Fermi met au point une théorie de l interaction nucléaire faible expliquant la désintégration bêta, dans laquelle il attribue le nom de neutrino (petit neutre) au neutron de Pauli : 32 P 32 S + e - + ν e Article refusé par la revue Nature car «comportant des spéculations trop éloignées de la réalité physique»

9 Découverte du(des) neutrino(s) Découverte du neutrino (antineutrino-e) en 1956 à l aide de la réaction «bêta inverse» de neutrinos émis par le réacteur nucléaire de Savannah River (USA) dans une cuve de 400 litres d un mélange d eau et de chlorure de cadmium : ν e + p n + e + + e - γ+ γ Découverte du neutrino-mu en 1962 par L. Lederman, M. Schwartz et Jack Steinberger (prix Nobel 1988) auprès d un accélérateur de particules du laboratoire de Brookhaven (USA) ν μ + p n + μ -

11 Découvert en 2000 Trois saveurs de neutrinos dans la nature : N ν = 2,9840 ± 0,0082 CERN (1990) e - e +

12 Les sources de neutrinos Production sur Terre : collisions provoquées à l aide des accélérateurs de particules processus de fission dans les centrales nucléaires radioactivité naturelle : être vivants et roches Production issue de l espace : interaction des rayons cosmiques dans l atmosphère : neutrinos atmosphériques processus de fusion thermonucléaire au cœur du Soleil : neutrinos solaires explosion de supernovae fond diffus cosmologique issus du Big-Bang

13 Le flash des supernovae (explosion d une étoile en fin de vie) Restes de la supernova SN1054 (Nébuleuse du Crabe) mentionnée par les astronomes chinois et japonais le 4 juillet 1054, visible pendant 23 jours Observation de la supernova SN1987 (23 février 1987) par les télescopes optiques et les détecteurs de neutrinos avant après Flash de neutrinos d environ10 secondes

14 Un bain de neutrinos Nous baignons dans un univers de neutrinos qui nous traversent en permanence de toute part, avec environ : 20 millions ( ) de neutrinos provenant du fond cosmologique se trouvent à chaque instant dans notre corps ( 300 ν/cm 3 ) 5000 neutrinos par seconde émis par notre corps (essentiellement dû à la désintégration du potassium-40 contenu dans nos os) 20 millions ( ) de neutrinos par seconde dû à la radioactivité de la croûte et du manteau terrestre 400 mille milliards ( ) de neutrinos par seconde à 1 km d une centrale nucléaire 400 mille milliards ( ) de neutrinos par seconde issus du Soleil Et tout cela sans danger car les neutrinos interagissent si peu que la Terre leur est presque transparente seuls quelques neutrinos interagiront dans votre corps durant toute votre vie!

16 Les neutrinos solaires La production de neutrinos par le Soleil est directement liée aux processus mis en œuvre pour la production d énergie, la fusion thermonucléaire (à une température de 15 millions de Kelvin) : + 2 D + 3 He 4 He p e n γ + 3 He Les modèles solaires prédisent que le nombre de neutrinos émis par le Soleil est : ν e par seconde

17 La crise des neutrinos solaires Toutes les expériences réalisées depuis les années 60 pour mesurer le nombre de neutrinos émis par le Soleil montrent un déficit de 1/3 à 2/3 : prédiction théorique Cuve de 615 t de composé chimique chloré installée en 1968 à 3000 m de profondeur dans l ancienne mine d or de Homestake (USA) ν e + 37 Cl 37 Ar + e - mesures expérimentales Prix Nobel de Physique 2002 (1/2) attribué à Raymond Davis et Masatoshi Koshiba pour leurs travaux pionniers sur la physique des neutrinos cosmiques

19 La mécanique quantique au secours des physiciens Les neutrinos étant des particules subatomiques, leur description relève de la mécanique quantique Dans ce cadre théorique un système physique (comme une particule) peut être un mélange de plusieurs états (d autres particules) Lorsqu on effectue une mesure du système physique (détection de la particule) on a une certaine probabilité d obtenir tel ou tel état (tel ou tel autre particule) Système du chat de Schrödinger : un chat enfermé dans une boîte, où un système maléfique peut le tuer à n importe quel moment, peut être vu de l extérieur comme vivant ou mort (mélange de deux états) mesure du chat vivant mesure du chat mort

20 Oscillation des neutrinos Chacun des neutrinos que l on observe, c est-à-dire de saveur donnée (ν e, ν μ ou ν τ ), peut être un mélange de plusieurs neutrinos «virtuels» (ν 1, ν 2 et ν 3 ) mais dans des proportions différentes ν e ν 1 ν 2 ν 3 ν μ ν τ (états propres de masse) La mécanique quantique montre qu un neutrino produit avec une saveur donnée peut se transformer en un neutrino d une autre saveur, on dit que les neutrinos oscillent au cours de leur propagation (Bruno Pontecorvo, 1958) ν e U11 U12 U13 ν1 ν μ = U 21 U 22 U 23 ν 2 ντ U 31 U32 U33 ν 3 Pour un neutrino de saveur ν, la probabilité qu'il ait oscillé en neutrino de saveur ν au bout d' une distance x s'écrit : P( ν ν, x) = l l ' 3 m= 1 U 2 lm l' U 2 l ' m + l m' m U lm U lm' U l' m U l' m' x cos 2π l mm'

21 Expérience SuperKamiokaNDE Ce sont des physiciens sur un bateau gonflable inspectant les capteurs lors du remplissage Réservoir de tonnes d eau ultra-pure, situé dans la mine de zinc Kamioka (Japon) à 1000 mètres sous terre, avec les parois tapissées de capteurs de lumière (photomultiplicateurs) pour détecter les muons (μ ± ) produits par des neutrinos-mu (ν μ )

22 Neutrinos détectés par effet Čerenkov des électrons ou muons Une particule chargée traversant un milieu transparent avec une vitesse supérieure à celle de la lumière dans le milieu émet un cône de lumière (petite gerbe électromagnétique)

23 Les neutrinos atmosphériques Production de neutrinos (2/3 de ν μ et 1/3 de ν e ) par interaction des rayons cosmiques dans l atmosphère terrestre Suppression d une partie des neutrinos atmosphériques ν μ en fonction de leur direction de provenance

25 Conséquences pour l Univers Les mesures cosmologiques montrent que la composition de l Univers est (Mercredi de la Physique de décembre 2004, Jean Orloff, «Naissance et évolution de l Univers») 5% de «matière ordinaire» (protons, électrons et noyaux atomiques) 25% de matière noire 70% d une mystérieuse énergie noire Les résultats indiquent une masse très faible pour les neutrinos : moins de un milliardième de la masse du proton (m ν < 1 ev) les neutrinos représentent moins de 1% de la masse de l Univers et ne constituent donc pas la matière noire Le phénomène d oscillation peut contribuer à l explication de l asymétrie matière-antimatière observée dans l Univers (Mercredi de la Physique de février 2004, Stéphane Monteil, «L antimatière»)

26 ANTARES (2006) : expérience située à 2500 m de profondeur au large de Toulon pour détecter les muons produits par d autres particules (Universités, CNRS, CEA, IFREMER, IGPG, France-TELECOM, ) Un télescope à neutrinos Etude des particules ultra-énergétiques (rayons cosmiques, neutrinos, supersymétrie) produites par des sources extragalactiques

27 En résumé Nous baignons dans un Univers de neutrinos (ν) pour lesquels toute matière est quasiment transparente Les physiciens mettent en œuvre, depuis 50 ans, des dispositifs expérimentaux gigantesques de haute technologie pour étudier leurs propriétés Les neutrinos sont des particules au comportement surprenant, il peuvent se transformer d une saveur (ou type) en une autre pendant leur propagation Les neutrinos n ont pas livré tous leurs secrets Les antineutrinos sont-ils identiques aux neutrinos? Quelle est la conséquence de la masse des neutrinos sur le Modèle Standard de la Physique des Particules? Les neutrinos peuvent-ils contribuer à expliquer l asymétrie matière-antimatière de l Univers?

28 Au fait combien de neutrinos, principalement issus du Soleil, ont traversé votre corps depuis le début de l exposé? environ 18 millions de milliard

29 Pour les plus curieux Site internet sur lequel vous trouverez la nouvelle revue présentant la physique des particules sous tous ces aspects Elémentaire : de l infiniment petit à l infiniment grand et particulièrement le numéro Hors série Neutrinos La détection des neutrinos massifs, revue POUR LA SCIENCE, N 263 (septembre 1999) L énigme des neutrinos solaires résolue, La mystérieuse identité des neutrinos, revue POUR LA SCIENCE, N 312 (octobre 2003) Présentations des Mercredis de la Physique :