« Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 [email protected] LES NEUTRINOS Jean Favier LAPP Université de Savoie IN2P3,CNRS Photo Dussert

« Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 [email protected]

LES NEUTRINOS

Jean Favier

LAPP

Université de Savoie

IN2P3,CNRS

Photo Dussert


Neutrinos?

• Nous baignons dans une nuée de particules, beaucoup plus nombreuses que toutes les autres : pour 1 électron, l’univers contient mille milliards de neutrinos, particules sans charge électrique intéragissant d’une facon incroyablement faible avec la matière (expériences très difficiles)

• Ces fantômes peuvent traverser 100.000.000 terres alignées sans intéractions

• Nous sommes traversés chaque seconde par 100.000.000.000.000 neutrinos provenant du soleil

QUELLE MASSE ONT-ILS ?


Naissance du neutrino les Radioactivités

• Radioactivité

• Radioactivité

+ E

+210

Po 4 He + 206Tl + 5.3 MeV


• Noyau A Noyau B + électron

• Quelque chose doit s’échapper pour conserver l’énergie et l’impulsion

• C’est le « petit neutre » (Pauli,1930) • Noyau A Noyau B + e + neutrino

Radioactivité

+e

A B

E maxEnergie de l’electron



100 microns 10 microns 0.1 micron

0.001 0.0001micron micron

0.00000001micron

Plongeons dans la matière…


Un atome ?

m electron=1 / 1000000000000000000000000000000 kg

famille leptons quarks

plume e- 1 e d 14 u 6

mi-lourd - 200 s 220 c 2600

lourd - 3500 b 8400 t 340000

Proton: uud 2000 Neutron: udd


Les Forces

• Electro-magnétique = le photon m=0

• Forte = le gluon m=0

• Faible = les W±,Z0 m=160000 ep1

p2


Fiche signalétique du • C’est une particule élémentaire (non divisible)

• Charge électrique 0

• Masse : nulle ,petite ???)

• Spin ½ (fermion)

• Interaction: seule une très faible interaction

• Stabilité : semble stable, mais …


• 3 familles:

e +p e+ + n + ….( 1951-56) Reines et Cowan

+p + + n + … ( 1962) Lederman, Scwartz, Steinberger

+p + + n + ….( 2000) experience DONUT

• 4 ou plus ? LEP a dit 3

• Pourquoi 3 familles ????Peut-être la seule solution pour aboutir du Big-Bang à un monde de matière stable,

débarrassé de l’anti-matière ???

• Pourquoi des masses aussi petites pour les neutrinos ?? origine des masses et de leur diversité: le grand chantier en cours!


Intéraction faible?

Le boson d ’échange est très lourd : x 80 masse du proton

portée de la force très petite probabilité de passer « à portée »

très faible Les peuvent voyager dans la matière

tout droit: …. 10.000.000 terres alignées sans les voir !! Sur terre nous recevons en eux des

messagers venant en ligne droite des galaxies : astronomie neutrino?


Sources Naturelles

• Le Soleil: 1011 /cm2.sec Fusion: p+p+p+p 4He+e++e++e+e

• La Terre: 107 /cm2.sec ( Radioactivité )

• Rayons cosmiques +atmosphère: 1. /cm2.sec

• Les Super-Novae: SN1987: 1059

• Le Ciel profond

• Les « fossiles » : 100. /cm3 1 sec après le Big-Bang …


Peut-on en fabriquer nous-mêmes?

• Réacteurs nucléaires 5. 1020/sec Radioactivité (0 à 10 MeV) ici: 1 million/ cm2

(Bugey)

• Bombes à hydrogène: 1028/sec...pendant quelques millisecondes :mais utilisation délicate!

• Futur faisceau CNGS du CERN...20000/m2.sec près de Rome (0 à 40 GeV)


Comment détecter les neutrinos

• Les réactions de détection ex: e+p n+e+

• Flux de neutrinos le plus grand possible

• Masse du détecteur la plus grande possible

• Prise de données la plus longue possible

• Se protéger des cosmiques et des gammas

EXPERIENCES TRES DIFFICILES


Un détecteur à basse énergie

• Source: un réacteur

• Réaction de détection: +p e++ n

• Milieu cible: liquide scintillantLa lumière produite mesure l’énergie déposée par le positron

et le neutron; on la collecte et mesure par des photo-multiplicateurs

• Protection contre les cosmiques et la radioactivité (intérieure et extérieure)


Le photomultiplicateur (P.M.)

2000 volts

10.000.000 e-

1 e-

2 4 …etc…. 12

1 3

Permet la détection d’un seul photon !

(bleu)


• Expérience du Bugey (France, 1996) un module= 600 litres de liquide scintillant + 196

photo-multiplicateurs

15 et 40 m de distance d ’un réacteur, sous 2 a 5 m de béton : 50 évènements /heure a 15m

c’est moi !

Bugey


Kamland

• Expérience de Kamland (Japon, 2003)

1000 tonnes de scintillateur + 2000 p.m

180 Km de distance des réacteurs, sous 1000 m de roches

100 bons évènements en 140 jours

13 m


L ’effet Čerenkov et l ’eau• Une particule chargée traverse la matière en

excitant sur son passage les atomes. Si la vitesse de cette particule dans le milieu

est supérieure à celle de la lumière, alors la lumière de désexcitation est cohérente

• L ’EAU PURE a une longueur de transparence de 60 m dans le bleu

• Un électron d’énergie supérieure a 0.6 MeV, ou un muon supérieure a 120 MeV vont émettre de la lumière en traversant l ’eau: il suffit de détecter cette lumière par des p.m pour réaliser un DÉTECTEUR à NEUTRINO.

• Un tel détecteur peut mesurer l’énergie et la direction de la particule qui produit la lumière bleue


truc

(Trans J.J Gomez Uni. Valencia ,Sp)


Super-Kamiokande

• 50000 tonnes

• 11147 p.m

• 1000 m

• 10000 atmosphériques

• 10 millions solaires


truc


Le soleil vu a travers la terre…


Mer et ....

Antarès


.... Glace

Amanda

Ice Cube


Peut-on mesurer directement la masse du neutrino?

• Spectre du tritium 3H

• 3H 3He + (e- + e=18.6 KeV)

masse e< masse e- / 255.000 (2 eV)

E max= 18.6 KeV

(Me=0)

Masse=Me

Spectre d’énergie de l’électron


Les neutrinos disparaissent !• On sait calculer d’une

facon précise le flux de e solaires (modèle du soleil)

L’expérience de Davies : flux = 30 % du flux attendu !!

• Désintégration? NON!

• Autre phénomène?

• Déclenchement de plein d’expériences !

e +37Cl 37Ar+e-

600 tonnes de C2Cl4


Oscillations !

• La Mécanique Quantique permet d’étranges phénomènes (pas intuitifs du tout) : nos trois neutrinos sont en fait trois aspects différents d’un même objet. Lors de son vol, il peut changer progressivement d’aspect, et ce, d’une manière répétitive, oscillatoire. ( schizophrènie du neutrino)


pour 2 familles….

Papparition = Asin2[ a(m2-m

2)L/E ]

Pdisparition=1. - Papparition

km

km

apparition

disparition

Flux

Flux

Pour E= 1 GeV

m2-m

2 = 0.1 eV2 et A=1


SNO

e+d e- + p + p (CC)

+d + p + n (NC)

• SNO mesure le flux des e du soleil

• SNO mesure aussi le flux total des 3 familles.

e

e + +

•1000 tonnes d’eau lourde D2O

•5300 tonnes d’eau ordinaire

•9500 p.m.

•2000 m sous terre

0.3


Super-Kamiokande

(JJ.Gomez Uni Valencia,Sp)


Super Kamiokande

• S.K a mesuré une disparition des qui dépend de leur énergie et de leur distance d’origine; les e ont eux une intensité normale

• Tout est compatible avec une oscillation - telle que

M2-M2= 2 10-3 eV2 et A =1

terre

air

S.K


En résumé…Me<2 eV et

• Les neutrinos semblent avoir une masse très faible mais non nulle

• Le phénomène d’oscillation semble exister et permet d’accéder à des différences de masse très faibles

• Schéma préfèré:

M2 = 2 10-3 eV2 A=1

e

m2=10-4 eV2

A=0.3


Historique

• 1913 Chadwick spectre continu Nobel 1934• 1930 Pauli hypothèse du neutrino Nobel 1945

• 1951-56 Reines et Cowan e (réacteur ) Nobel 1995

• 1962 Lederman,Schwartz,Steinberger Nobel 1988

• 2002 “ DONUT” Fermilab :

• 1970-2000 Davis : disparition e Nobel 2002

• 1980-2001 Koshiba : disparition Nobel 2002

• 2001-2 SNO disparition e et flux total OK


Programme proche et futur

• Mettre en évidence l’apparition: (du OPERA, ICARUS)

• Préciser les différences de masse (MINOS)

• Préciser les probabilités de transition

OPERA, ICARUS, MINOS

• Valeurs absolues des masses

• Moyens: super-faisceaux, détecteurs géants, 2- ( utiliser des sources de spectre bien connu)


OPERA (2006)

• Mise en evidence de dans un faisceau de


A faire en plus

• Finir sur masse totale des nu et cosmologie(recontraction,etc)

• Parler Frejus+CERN• Proton decay• Faire un lien pour

l’expose entre les sujets

Documents

« Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 [email protected] LES NEUTRINOS Jean Favier LAPP Université de Savoie IN2P3,CNRS Photo Dussert