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Le Collège de France (Paris V)
Un neutrino pour quoi faire ?1896 : 238 U 234 Th + particule alpha
Cette émission serabaptisée radioactivité alpha
1900 : mise en évidence de l’émission gamma (Paul Villard)
1914 : Chadwick mesure le spectre continu d’électronsradioactivité bêta
1930 : N N’+e N N’ + e +? (Pauli)
1933 : théorie proposée par Fermi pourn p + e + ve
et beaucoup plus tard une théorie complète avec
Désintégration du tritium
Les acteurs
Puis dans une deuxième phase d’autres types de neutrinos sont produits avec des accélérateurs...dès 1963...
En 1968 R.Davis détecte pour la première fois des neutrinos issus du soleil
En 1987 un détecteur géant détecte des neutrinos d’une supernova !
L’astronomie neutrino est en marche.....
Pauli invente le “ neutrino ” 1930
Fermi explique 1933
Reines et Cowan le découvrent en 1956
Wolfgang Pauli
Chères Mesdames, chers Messieurs les Radioactifs,
Comme va vous l’expliquer avec plus de détails celui qui vous apporte ces lignes et auquelJe vous prie d’accorder toute votre bienveillante attention, il m’est venu en désespoir de cause, face à la statistique “ fausse ” concernant les noyaux N et 6Li ainsi que le spectre continu, l’idée d’un expédient
pour sauver le principe d’échange de la statistique et 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, dotées d’un spin de valeur ½, obéissant au principe d’exclusion et qui de surcroît se
distinguent des quanta de lumière par le fait qu’ils ne se déplacent pas à la vitesse de la lumière. La masse des neutrons devrait être du même ordre de grandeur que celle des électrons, et en tous cas non supérieure à 0,01 de celle des protons.Le spectre continu se comprendrait alors en admettant par hypothèse que lors de toute désintégration est émis, outre l’électron, aussi un neutron, de telle sorte que la somme des énergies du neutron et de l’électron soit constante.La question qui se pose maintenant est de savoir quelles forces agissent sur le neutron. Pour des raisons relevant de la mécanique ondulatoire (et dont celui qui vous transmets ces lignes est en mesure de vous informer plus précisément), le modèle le plus vraisemblable pour le neutron me semble impliquer q’au
repos il soit un dipôle magnétique doté d’un certain moment . Les expériences exigent assurément que
l’action ionisante d’un tel neutron ne puisse pas être supérieure à a celle d’un rayon et donc la dimension linéaire de ne doit sans doute pas être supérieur à 10 –13 cmA l’heure actuelle, cependant, je ne
m’aventurerai pas à publier quelque chose sur cette idée, je me tourne d’abord en toute confiance vers
vous, chers radioactifs, pour vous demander ce qu’il en serait d’une expérimentation établissant
l’existence d’un tel neutron si celui-ci devait présenter un pouvoir de pénétration égal ou supérieur d’un
facteur 10 à celui d’un rayon gamma.
chers Radioactifs, examinez et jugez.- malheureusement, je ne peux pas venir moi-même à Tubingen,
ma présence à Zurich étant absolument requise en raison d’un bal qui a lieu dans la nuit du 6 au 7 décembre.- Je vous salue bien tous, ainsi que M.Back. Votre très dévoué,
Neutrinos: naissance d’ une idée
1930
J Chadwick
Neutrinos ou neutrons
1932
Chadwick découvre le neutron mais celui-ci est trop lourd pour être la particule de Pauli.
Pauli répond ….
Neutrinos 1933
Pauli répond en Octobre 1933
“... Leur masse ne peut guère être supérieure à celle de l’électron. “
Fermi les baptisera neutrinos pour petits neutrons.
E Fermi
Neutrinosdétection directe 1953
Reines and Cowan
La cible est constituée de 400 litres d’eau et de Chlorure de Cadmium. Le neutrino interagit avec un proton et donne un positon(e+) et un neutron (n). e+ et e- s’annihilent en 2 photons . Le neutron ralentit et capturé par le Cadmium donne 3 photons 15 microsec plus tardTous les photons sont détectés et le retard signe le neutrino.
Les constituants élémentaires de la matière
En particulier il existe un antineutrinoassocié à chaque espèce de neutrino :
e
La matière
Les quarks :
u, d, sc, b, t
Les leptons :
e, e ,
Les Sources de neutrinos
• Naturelles
• Artificielles
Le SoleilLes collisions atmosphériquesLes super-novae Le big-bang !
Les réacteursLes accélérateursLes Bombes!
Les sources naturelles du neutrino
p + p e+ + d + e
Les neutrinos émis par le soleil, témoins de la synthèse de l’hélium.
d + p 3He + 3He + 3He 4He + 2p
Neutrinos issus des supernovae
e- + p n + e
et du cosmos
e+ + e- +
Production d ’hélium dans le Soleil
Les rayons cosmiques
T14
Deux Neutrinos
1962
Schwartz Lederman Steinberger
Les neutrinosissus des - ne produisentque des muons aprèsavoir interagi
AGS Proton Beam
Deux sources artificielles de neutrinos
Les centrales nucléairesLa centrale nucléaire de Chooz dans les Ardennes, d'une puissance de 2 x 4 200 MWTh, représente 3.1020 fissions/s soit 6 fois plus de neutrinos.
Le détecteur, situé à une distance de 1000 m de la centrale...
...est installéà une profondeur de 100 m
Une bombe thermo-nucléaire
Comment les voir ?
• On dit qu’on les détecte…..
La mise en évidencedes neutrinosExpérience de Reines et Cowan (1956)
Le neutron est capturé par un atome de cadmium qui en se désexcitant produit 3 photons gamma.
Par ailleurs, le positon s’annihile avec les électrons pour donner 2 photons gamma.
Effet Cerenkov Ve > c/n
• Effet CerenkovEffet Cerenkov
v
1
nvsin 0cc
==α v
1
nvsin 0cc
==α
c0 = speed of light in vacuum
Cherenkovlight
wavefront
Compare : shock wave of supersonic airplanes
See http://webphysics.davidson.edu/applets/applets.html for a nice illustration
Le spectre électromagnétiqueLongueur d’onde (m)
Energie(eV)
Astro gamma
(1015 eV)
La « lumière »
La « lumière » des neutrinos
R.DavisM.Koshiba
Neutrino Windows
Neutrino Facilities Assessment Committee, NAS (2002)
Difficulté fondamentale
On attend de l ’ordre de 1 à 10 coups par tonne de détecteur et par jour. Alors que 1g d ’uranium correspond à 10000 coups par seconde !
Par conséquent il faut impérativement réduire le bruit de fond ou caractériser l ’événement que l ’on cherche.
Pour ces raisons il faut se protéger (sous terre ou sous la mer….) des rayons cosmiques et de la radioactivité naturelle (blindage actif et passif).
Observatoire Souterrain
60 milliards de neutrinos par seconde par cm2Et 1 seul s’arrete par jour et par tonne
Mine de Homestake(Dakota du Sud)
Neutrinos Neutrinos solaires
Ray Davis
Détection de neutrinos solaires600 tonnes de Chlore
• neutrinos > 1 MeV
• vérifie la fusion dans le soleil
• Le nombre de neutrinos détectés est 3 fois plus petit que le nombre attendu !
Détecteur HomestakePrix Nobel 2002
20 mai 1968
La masse du neutrino ?Dès les premières secondes l'univers se remplit de neutrinos :Aujourd’hui il y en a 100 par cm3 et par espèce.
Avec m = me
La densité de l’univers en neutrinos est :
300 x 106 me / m3
= 10-4 l’univers se recontractera !!!
Quelque soit m non nulle le neutrino peut osciller
Gran-sasso
Le LNGS
Le laboratoire du Gran-Sasso à l ’Aquila
Hall C (Gran-Sasso)Au premier plan (gauche) on voit le prototype de BOREXINO.
À droite leconteneur enacier pour BOREXINO
Prototype- (C.T.F)
La Sphère de Borexino
La sphère intérieuredans Borexino esttapissée avec 2200Photomultiplicateurs.
ondes gravitationnelles
’s
lumière
“Signal explosion” supernova
Le détecteur Super Kamioka au Japon
T13
Comment voit-on l’Univers ?
Neutrino AstrophysiqueIceCube
Km3 Détecteur
250Meuros
Neutrinos de très hautes énergies
IceCube
Le détecteur
profond 1400-2400m80 tiges4980 photomultiplicateurs
On ajoute la dimension spatiale………..
• Ce qui signifie que les expériences futures
• Seront principalement réalisées a partir
• De satellites (stations spatiales)
Bruit de fond
Cosmique
• Les Neutrinos se découplent 1 seconde après le big-bang
•Ils sont environ 300 / cm3.
•Leur détection reste un défi
Le but Ultime
Neutrinos des tous premiers instants de l ’Univers
