Neutrinos : les messagers invisibles du Cosmos

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1 Neutrinos : les messagers invisibles du Cosmos Gabrielle Gabrielle Simard Simard Université Université McGill McGill Public Public Astro Astro Night, Night, juin juin Springel et al. Millenium Simulation

2 Plan de match

3 Plan de match Qu'est-ce qu'une particule élémentaire? Qu'est-ce qui caractérise le neutrino? Quelles sont les étapes marquantes de sa découverte? Quel est l'impact des neutrinos en cosmologie?

4 Mètres [m] (pas à l'échelle) 10-3 De quoi est composée la matière? Pour des heures de plaisir, voir cellule fourmi molécule d'eau atome noyau atomique proton neutron électron

5 Mètres [m] (pas à l'échelle) 10-3 De quoi est composée la matière? Pour des heures de plaisir, voir cellule fourmi molécule d'eau atome noyau atomique proton Quarks neutron électron

6 Mètres [m] (pas à l'échelle) 10-3 De quoi est composée la matière? Pour des heures de plaisir, voir cellule fourmi molécule d'eau atome noyau atomique proton neutron électron Quarks Cordes?

7 Mètres [m] (pas à l'échelle) 10-3 De quoi est composée la matière? Pour des heures de plaisir, voir cellule fourmi molécule d'eau atome noyau atomique proton neutron électron Quarks Cordes? Théoricien des cordes au travail

8 De quoi est composée la matière? quarks électron Le Modèle Standard trois types de neutrinos

9 Mètres [m] De quoi est composée la matière? (pas à l'échelle) 10-3 Pour des heures de plaisir, voir cellule fourmi molécule d'eau atome noyau atomique proton neutron électron Quarks Neutrino Cordes?

10 Neutrinos : Questions & Réponses Q: Ça veut dire quoi, neutrino? R: «la petite chose neutre» en italien (Enrico Fermi, 1933)

11 Neutrinos : Questions & Réponses Q: Ça veut dire quoi, neutrino? R: «la petite chose neutre» en italien (Enrico Fermi, 1933) Q: D'où viennent les neutrinos? R: Plusieurs sources : -Le Big Bang -Réactions de fusion nucléaire dans les étoiles, dont le Soleil -Explosions de supernovae -Réacteurs nucléaires, bombes nucléaires -Collisions dans les accélérateurs de particules -Rayons cosmiques dans l'atmosphère

12 Neutrinos : Questions & Réponses Q: Où sont ces neutrinos aujourd'hui? R: Partout dans l'univers!

13 Neutrinos : Questions & Réponses Q: Où sont ces neutrinos aujourd'hui? R: Partout dans l'univers! Par seconde, 100,000,000,000,000 neutrinos venant du Soleil 30,000,000 neutrinos venant du Big Bang

14 Neutrinos : Questions & Réponses Q: N'est-ce pas préoccupant? R: Non, puisque les neutrinos interagissent très peu avec la matière. plomb une année-lumière

15 Neutrinos : Questions & Réponses Q: Les neutrinos ont-ils une masse? R: Oui, tel que prouvé par l'observation des neutrinos produits par le Soleil. Toutefois : -Doit être extrêmement faible -Aucune mesure directe à ce jour

16 Neutrinos : Questions & Réponses Q: Les neutrinos ont-ils une masse? R: Oui, tel que prouvé par l'observation des neutrinos produits par le Soleil. Toutefois : -Doit être extrêmement faible -Aucune mesure directe à ce jour Q: Un instant...une particule pourrait vraiment avoir une masse nulle? R: Absolument. C'est le cas du photon!

17 Le postulat de Pauli (1931) Wolfgang Ernst Pauli ( ) Désintégration β : électron noyau atomique Ne semble pas respecter les lois fondamentales de conservation!

18 Le postulat de Pauli (1931) Wolfgang Ernst Pauli ( ) Désintégration β : électron noyau atomique neutrino Ne semble pas respecter les lois fondamentales de conservation! «J'ai fait quelque chose de terrible aujourd'hui : j'ai proposé une particule qui ne peut pas être détectée.»

19 Le problème des neutrinos solaires ( )...

20 Le problème des neutrinos solaires ( )... Observatoire de neutrinos de Sudbury, Ontario

21 La supernova SN 1987A (1987) 1058 neutrinos émis, 24 détectés Kamiokande II, Japon : 11 neutrinos IMB, États-Unis : 8 neutrinos Baksan, Russie : 5 neutrinos

22 Les neutrinos supralumineux : fausse alerte (2011) Collaboration OPERA

23 ANTARES Ice Cube Super-Kamiokande

24 Pour résumer... Les neutrinos sont des particules élémentaires très petites qui ne composent pas les atomes Les neutrinos agissent comme des fantômes : -électriquement neutres -interagissent très peu avec la matière -très légers -vont très vite, proche de la vitesse de la lumière Déterminer la masse des neutrinos est difficile mais crucial

25 Évolution de l'univers Big ng a B

26 Le fond diffus cosmologique

27 Composition de l'univers aujourd'hui 5% Baryons (0.4% étoiles, 3.6% gaz) Photons Baryons = fait d'atomes 25% Matière sombre Neutrinos 95% de l'univers n'est pas dans le tableau périodique ni dans le modèle standard des particules! 70% Énergie sombre

28 Formation de la structure dans l'univers Simulation numérique La toile cosmique! Observations Tem ps V. Springel Un point = une galaxie = 1 milliard d'étoiles (109) M. Blanton Sloan Digital Sky Survey

29 Effet des neutrinos sur la formation de la structure Sans neutrinos Avec neutrinos A. Khalatyan équipe CLUES

30 'Peser' les neutrinos en observant le cosmos Big Bang fond diffus cosmologique Toile cosmique lumière non déviée lumière déviée (observée) satellite WMAP et plusieurs autres! télescope du Pôle Sud

31 Conclusion Les neutrinos en deux mots : abondants et discrets Un acteur important dans l'histoire de l'univers dû à leur très grand nombre L'histoire des neutrinos est mouvementée, à suivre dans les années à venir! Déterminer la masse des neutrinos : le nouveau Graal Un exemple fascinant de collaboration entre la physique des particules et l'astrophysique

32 Références Merci Merci de de votre votre attention attention!! P.C. Rowson, Public Lecture - Deep Secrets of the Neutrino : Physics Underground, SLAC National Accelerator Laboratory, B. Kayser, Public Lecture Neutrinos Get Under Your Skin, SLAC National Accelerator Laboratory, R. Wechsler, Public Lecture Dark Energy. What the?, SLAC National Accelerator Laboratory, D. Griffiths, Introduction to Elementary Particles, Second Edition, Wiley-VCH, Weinheim, 2008.