ANATOMIE DES NEUTRINOS

Transcription

1 October 2015 UQAM-PHE/ 2015 ANATOMIE DES NEUTRINOS Chérif Hamzaoui Résumé Cette année l Académie royale des sciences de Suède a décerné le prix Nobel de physique à deux chercheurs expérimentateurs pour leur découverte des oscillations des neutrinos qui montrent qu ils possèdent une masse. À chaque seconde quelques cent milliards de neutrinos traversent l ongle d un pouce. Ils traversent l ongle puis le pouce puis la Terre et ainsi de suite quasiment sans interagir et sans laisser de traces. Sauf... pour les spécialistes qui les attendent au bout du tunnel. Nous vous présentons un séminaire pour mieux les connaitre et saisir l importance du secteur leptonique afin de comprendre notre Univers et ses grandes lois. 1 Que sont les neutrinos? Comme dirait le fameux physicien Frederick Reines prix Nobel de physique en 1995 pour la découverte des neutrinos c est rien quasiment rien. es neutrinos sont les particules les plus omniprésentes après les photons dans notre Univers. Ils sont apparus durant le le Big Bang et leur plus grande source sont les corps célestes tels les supernovas et les étoiles. En comparaison les constituants de la matière ordinaire tels les électrons les neutrons les protons sont beaucoup plus rares que les photons et les neutrinos. a compréhension de l agencement des masses des neutrinos peut nous révéler de quelle façon les forces de la Nature sont unifiées et comment les éléments du tableau périodique ont été fabriqués. Au cours des dernières années nous avons appris beaucoup de choses sur ces petites particules. Entres autres nous avons appris que les neutrinos produits dans une saveur bien précise peuvent être détectés dans une saveur différente après avoir effectué un long trajet. C est ce qui est appellé l oscillation nous indiquant qu il y a mélange. Ces découvertes amènent de nombreuses nouvelles questions fondamentales pour faire avancer notre connaissance de l Univers et des lois qui le gouvernent: Pourquoi les neutrinos ont-ils des masses minuscules et comment se transforment-ils les uns dans les autres? 1

2 existence et la stabilité de la matière ordinaire sont-elles reliées aux propriétés des neutrinos? Existe-t-il d autres types de neutrinos? En quoi consiste la matière sombre et quelle partie en est constituée de neutrinos? Quel rôle jouent les neutrinos dans la synthèse des éléments du tableau périodique? Quelle est l origine de la brisure de CP? Est-ce qu une bonne compréhension de la physique des neutrinos peut nous éclairer sur l origine et la structure de la symétrie CP? Une simplicité plus profonde est-elle à la base des forces et des particules que nous observons? Ces questions sont importantes et fondamentales et leur résolution aura un impact primordial sur la physique et sur notre connaissance de la nature. Nous n avons pas la présomption de répondre à ces questions dans le présent séminaire. Il faudra encore plusieurs années et beaucoup de travail de la part de nombreux chercheurs afin d y répondre ne serait-ce qu en partie. Actuellement malgré les découvertes des dernières années nos connaissances sur le secteur leptonique sont limitées au secteur chargé c est-à-dire que nous connaissons les masses de l électron du muon et du tau. Nous sommes encore dans le brouillard lorsqu il s agit des masses des neutrinos bien que nous avons une connaissance sur les différences de masse au carré. 2 Discussion générale sur la problématique e fait que les neutrinos ont une masse ouvre plusieurs possibilités dans le domaine de la physique des particules élémentaires. a quête de la compréhension de leurs masses et mélanges est ce qui est généralement appelée le problème de la masse et du mélange des neutrinos. es solutions à ce problème lorsqu elles seront trouvées ouvriront une porte sur la compréhension de questions touchant la cosmologie et l astrophysique telles l origine de la matière des éléments lourds et peut-être même la découverte de la nature de la matière sombre et de l énergie sombre. De plus les neutrinos jouent un rôle clé dans les théories qui unissent les particules élémentaires et les forces. Ils sont essentiels pour comprendre non seulement comment brille le soleil mais également comment les étoiles ont explosé créant ainsi la majorité des éléments du tableau périodique. e prix Nobel de physique de 2002 a reconnu l importance de la découverte des neutrinos en provenance du soleil et de l explosion d une étoile ainsi que des découvertes faites à la suite d expériences sous terre durant les dernières décennies. D autres expériences souterraines plus récentes sur les neutrinos ont suscité l intérêt du monde scientifique par leurs 2

3 observations qui confirment que certains types de neutrinos se mutent en types différents ce qui nécessite une masse. Finalement la découverte que les neutrinos possèdent une masse vient appuyer certaines hypothèses avancées par des modèles au-delà du Modèle Standard le but de ces modèles étant l unification des forces et des particules. 3 Un peu d histoire En 1931 Wolfgang Pauli Prix Nobel en 1945 soucieux de préserver les principes de la conservation de l énergie et de la quantité de mouvement dans la désintégration β du noyau a émis l idée d une particule invisible et neutre qui ne serait pas partie intégrante du noyau. En 1932 Enrico Fermi Prix Nobel 1938 donne un nom a cette particule: neutrino ou petit neutre de l italien bambino. Aussi il a effectué une première description de son interaction avec les autres particules. À cause de leur légèreté et de l absence de charge électrique les neutrinos sont pratiquement inertes. Malgré le fait que des milliards de neutrinos nous traversent à chaque seconde il a fallu près de 30 ans pour que se confirment les hypothèses de Pauli et de Fermi. En 1956 à Savannah River en Caroline du Sud Frederick Reines et son équipe ont détecté des neutrinos produits par un puissant réacteur nucléaire. Il a d ailleurs reçu le prix Nobel de physique en 1995 pour cette découverte. En 1957 Bruno Pontecorvo formule la première théorie sur l oscillation des neutrinos. Américain Raymond Davis jr fut le pionnier du développement de la science de la physique souterraine. En 1968 il a décelé les neutrinos électroniques provenant du soleil. Il a ensuite fait l observation fort pertinente que le nombre réel de neutrinos solaires détectés était beaucoup plus bas que prévu ouvrant la voie à une nouvelle science des neutrinos. En 1987 des neutrinos provenant de l explosion d une supernova ont été détectés à KamioKaNDE et à Irvine-Michigan-Brookhaven. En 1998 KamioKaNDE met en évidence de façon expérimentale l oscillation des neutrinos donnant ainsi la preuve que ceux-ci ont une masse qui n est pas nulle. Par après en 2000 l expérience DONUT met en évidence l existence des neutrinos tau ν τ. Au Canada le SNO Sudbury Neutrinos Observatory recueille des données et travaille actuellement sur l amélioration des mesures sur les masses des neutrinos. Dans un proche avenir cet observatoire sera amélioré et sera possiblement transformé en fabrique de neutrinos promettant ainsi des résultats d avant-plans. es résultats des expériences à venir seront importants afin de déterminer ces valeurs de mélange. objectif de la nouvelle génération d expériences est de préciser le portrait qui émerge et de déterminer les paramètres encore inconnus pour ensuite comprendre comment le Modèle Standard devra être modifié. 3

4 4 Propriétés des neutrinos et état des connaissances sur le secteur leptonique Au début on a admis que le neutrino contribuait à maintenir les principes de conservation importants dans la désintégration des noyaux et par conséquent il devait posséder des propriétés nouvelles : zéro charge zéro masse spin 1/2 et une très faible interaction avec les autres particules. Il a fallu l apparition des réacteurs nucléaires capables de produire des neutrinos à profusion pour démontrer clairement que le neutrino existait réellement. De plus nous savons qu il existe non pas un mais au moins trois types distincts de neutrinos : un neutrino de type électron ν e un de type muon ν µ et un de type tau ν τ chacun couplé avec son partenaire chargé e µ et τ respectivement. Après de nombreux essais intensifs pour mesurer les masses des neutrinos une limite maximale de 0.2 ev fut établie. Comparé à la masse de l électron de ev ces valeurs sont extrêmement faibles. Notons que l électron-volt ev est l énergie électrostatique gagnée lorsqu une unité de charge électrique est déplacé entre deux points dont le potentiel électrostatique diffère d un volt. 1eV = Joules 1 e soleil alimenté par la fusion thermonucléaire est une source abondante et pure de neutrinos de type électronique. Des milliards de neutrinos solaires traversent notre corps à chaque seconde. es neutrinos électroniques sont apparentés à l électron. Similairement les neutrinos muoniques et tauniques sont apparentés au muon et au tau respectivement. C est la famille des leptons. Il existe maintenant une preuve que les neutrinos muoniques et tauniques aussi bien que les neutrinos électroniques peuvent tous se modifier l un pour l autre osciller durant leur trajet dans l espace. Des observations de l oscillation ont toutefois déterminé les différences de masse au carré plutôt que les masses elles-mêmes. C est-à-dire qu elle mesure la valeur absolue de la différence entre le carré des masses des neutrinos. es différences de masse au carré extraites des données sont minimes des millièmes d électron volt au carré ev 2 et moins. Cela est très petit comparé avec les masses typiques des quarks et des leptons massifs qui sont supérieures de plusieurs ordres de grandeur. Par exemple le quark top est supérieur de 14 ordres de grandeur. e fait que les neutrinos n ont pas de charge électrique implique certaines propriétés qui ne sont pas partagées par les fermions chargés dans le Modèle Standard. Ce fait crée un autre problème. es neutrinos pourraient être leur propre anti-particule sans briser la conservation de la charge électrique. Dans ce cas ils seraient appelés fermions de Majorana. S ils ne sont pas leur propre anti-particule il sont alors appelés neutrinos de Dirac. Nos connaissances actuelles ne nous permettent pas de trancher sur la question. Deux autres familles de neutrinos nous proviennent de l atmosphère. Ceux-ci sont produit lorsque les rayons cosmiques rencontrent la couche supérieure de l atmosphère. es réactions dans les noyaux de cette couche produisent des neutrinos ce que nous appelons les neutrinos atmosphériques de type muonique ν µ et de type taunique ν τ. Ces deux derniers 4

5 sont beaucoup plus énergétiques que les neutrinos de type électronique produit dans le soleil. a radioactivité naturelle des éléments dans le sol tel l uranium libère aussi des neutrinos. Nous sommes aussi radioactifs principalement par la désintégration du potassium 40 en calcium 40 dans le corps humain et émettons environ 4000 anti-neutrinos par seconde. Additionnant tout ça les neutrinos sont des particules très nombreuses qui remplissent notre Univers. a quantité de neutrinos dans tout l Univers serait proportionnelle au nombre de photons la particule transportant la lumière et qui remplit aussi notre Univers. Puisqu il y en a autant leur masse pourrait affecter la gravité dans l Univers. eur masse doit être très petite et n a pas à ce jour été détectée de manière absolue. On a toutefois une idée de l ordre de grandeur. Pour être plus exact c est la différence de masse au carré qui est mesurée jusqu à ce jour dans le processus d oscillation des neutrinos. Notre vision de la matière est basée sur la reconnaissance de quelques composants élémentaires. Entre autres les fermions élémentaires sont arrangés en trois familles. Pour les quarks: et pour les leptons: u d c s t b νe e νµ µ ντ τ es quarks sont influencés par l interaction forte donc portent une couleur la charge d interaction forte. es neutrinos ne ressentent pas l interaction forte et sont donc sans couleur. De plus nous comprenons que les quarks et les leptons ne montrent pas de structure à la limite actuelle de notre résolution. Étant très abondants les neutrinos ont un impact profond sur plusieurs aspects de la cosmologie depuis la leptogenèse dans le très jeune Univers jusqu à la formation des grandes structures en passant par la nucléosynthèse lors du Big Bang. Dans les étoiles comme le soleil ils sont essentiels au processus de cuisson des éléments lourds nécessaires à la vie. 5