Les neutrinos à la rescousse

Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Les neutrinos à la rescousse

1. Qui sont les neutrinos?

2. Les questions qu’ils posent

3. La masse des neutrinos et leurs oscillations

4. Les questions auxquelles ils peuvent répondre

5. Le futur

http://dpnc.unige.ch/users/blondel/conferences/cours-neutrino/physique-aujourdhui/


Lettre de Wolfgang Pauli 4 Décembre 1930

Dear Radioactive Ladies and Gentlemen,

As the bearer of these lines, to whom I graciously ask you to listen, will explain to you in more detail, how because of the "wrong" statistics of the N and Li6 nuclei and the continuous beta spectrum, I have hit upon a desperate remedy to save the "exchange theorem" of statistics and the law of conservation of energy. Namely, the possibility that there could exist in the nuclei electrically neutral particles, that I wish to call neutrons, which have spin 1/2 and obey the exclusion principle and which further differ from light quanta in that they do not travel with the velocity of light. The mass of the neutrons should be of the same order of magnitude as the electron mass and in any event not larger than 0.01 proton masses. The continuous beta spectrum would then become understandable by the assumption that in beta decay a neutron is emitted in addition to the electron such that the sum of the energies of the neutron and the electron is constant...

I agree that my remedy could seem incredible because one should have seen those neutrons very earlier if they really exist. But only the one who dare can win and the difficult situation, due to the continuous structure of the beta spectrum, is lighted by a remark of my honoured predecessor, Mr Debye, who told me recently in Bruxelles: "Oh, It's well better not to think to this at all, like new taxes". From now on, every solution to the issue must be discussed. Thus, dear radioactive people, look and judge.

Unfortunately, I cannot appear in Tubingen personally since I am indispensable here in Zurich because of a ball on the night of 6/7 December. With my best regards to you, and also to Mr Back.

Your humble servant

. W. Pauli

Wolfgang Pauli

Neutrinos: la naissance d’une idée1930

dNdE

Efew MeV

Le spectre des e- dans la Désintégration :

e


Reines et Cowan (Nobel 1995)Expérience au voisinage d’un réacteur nucléaire. La cible de détection est constituée de 400 litres d’une solution de fluorure de Cadmium dans l’eau.

Les (anti)neutrinos du réacteur interagissent avec les protons de l’eau en donnant un positon (anti-electron) et un neutrino. On détecte en même temps les produits de l’annihilation du positon (e+ + e- ) et (deux ) de capture du neutron par le cadmium. 4 photons sont détectés dans un intervalle de 15 microseconds.

Cette réaction est très rare ce qui indique que le parcours moyen de ces neutrinos dans la matière est extrêmement long (~une année lumière dans l’eau!)

Neutrinosdetection difficile 1953

pe

nepe


1957: L’ hélicité des neutrinos est mesurée (M. Goldhaber et al):

Les neutrinos sont ‘gauchers’ (tournent dans le sens des aiguilles d’une montre)

Les antineutrinos sont ‘droitiers’(tournent dans le sens de la rotation de la terre)

violation de la symétrie par renversement du systeme d’axes!!!! (parité)

Une propriété étonnante:

e e

e Ceci n’est jamais observé!


Symétries de la physiqueune parenthèse:

la physique ne doit pas dépendre de la façon dont nous (les humains) la regardons:

par exemple, la loi de Newton

dt

vdm

dt

PdF

ne dépend pas du choix de l’origine des temps (seules les différences de temps interviennent)ne dépend que des vitesses relatives (invariance par cht de repère Galiléen)ne dépend pas du choix des axes de l’espace (invariance par translation et rotation)

et bien sur elle ne dépend pas de la chiralité des axes

x

y

z

ou

x

y

z


Symétrie de parité: la physique s’exprime aussi bien dans des axes droits que gauche

ou encore si on change x -x y -y z -zdonc

pp

qq

mais le moment cinétique lui, ne change pas de signe.

Donc change de signe.

pqL

De la même façon si on change uniquement un axe x x y -y z z (symétrie miroir)

Lp.

Lp. change de signe.

miroir

L’image d’un gaucherdans un miroirest un droitier!


B

B

on étudie les désintégrations béta du 60Cobalt dans un champ magnétique60Co émet un electron (et un neutrino) Le noyau de cobalt a une charge + et un moment cinétique qui s’aligne sur le champ magbétique

Observation: (Wu 1956) les éléctrons sont émis de préférenceà l’opposé du champ magnetique!

dans la réaction beta, le moment cinétique de l’électron est anti-aligné sur sa quantité de mouvement,

La préférence observée s’explique par la conservation du moment cinétique.

ep

S

ep

l’électron émis dans la désintégration beta est « GAUCHER »

mais ceci viole évidemment le principe d’invariance par parité!

I


BS

ep

Bep

symétrie

Situation permise = situation la plus fréquente

Situation interdite = situation la moins fréquente

La désintégration beta fait une différence entre la gauche et la droite!

Prix Nobel: Mme Wu ; Lee and Yang

Ceci devrait nous permettre, par exemple, de communiquer à un extra terrestre ce que sont la gauche et la droite.

La situation favorisée est en pointillés


BS

ep

Be

p

antimatière

favorisée = situation la plus fréquente

Interdit = situation la moins fréquente le positron ne peut pas être gaucher….

La désintégration beta fait une différence entre la matière et l’antimatière(on observe ceci par ex. dans les désintégrations des muons)

supposons maintenant que nous changions à un monde d’anti-matière = seules les charges changent

matière

l’electron est ‘gaucher’, et le positon est ‘droitier’ !

en fait NON:

Le courant créé par des positrons est en sens inverse

La situation favorisée est en pointillés

I

Mais si on fait une symétrie mirroir ET un changement matière-anti-matière RIEN NE CHANGE


BS

ep

Be

p

antimatière

favorisée = situation la plus fréquente

défavorisée! = situation la moins fréquente

La désintégration beta ne fait pas la différence entre matière et antimatière si on change la droite et la gauche en même temps. symétrie C.P qui est équivalente à la symétrie par renversement du sens du temps T(on observe ceci par ex. dans les désintégrations des muons)

et on ne peut communiquer la gauche de la droite que …si on suppose que l’extraterrestre est fait de matière comme nous!

supposons maintenant que nous faisions à nouveau une symétrie

anti-matière+ miroir miroir


Il existe cependant un effet (assez petit) qui distingue matière et antimatière

la particule K0L (neutre et invariante par symétrie CP!)

se désintègre plus souvent en e+ que e-

300

00

102

eLeL

eLeL

eKeK

eKeK

ce qui représente une très faible violation de la symétrie entre matière et anti-matière!

« mon cher ami… vous faites un faisceau de K0L. la particule légère chargée

produite le plus souvent est de l’antimatière… »

1964


1959 Ray Davis montrait expérimentalement que les (anti) neutrinos issus de réacteurs nucléaires n’interagissent pas avec le

chlore pour produire de l’argon. reacteur : n p e- e ces ene font pas ceci: e + 37Cl 37Ar + e-

ce sont des anti-neutrinos

e

dans les réactions nucléaires ee

NNNNee est conservé.

il avaient été découverts ainsi: nepe


Lee and Yang

Propriétés des Neutrinos

1960

En 1960, Lee et Yang realisent que la raison pour laquelle la réaction

- e-

n’est jamais observée (limite actuelle 10-11) c’est qu’il y a deux types de neutrinos différents: et e


Deux Neutrinos

1962

Schwartz Lederman Steinberger

Ces neutrinos

ne produisent que des muons, pas d’électrons quand ils intéragissent avec la matière

Premier faisceau de neutrinos artificiels

W-

hadrons

N


Neutrinos au CERN Le ‘courant neutre’

La chambre à bulles GargamelleCERN

Découverte d’une nouvelle intéraction:

+ e + e

+ N + X (pas de muon, pas d’électron)

Jusque là les neutrinos n’apparaissaient qu’en compagnie d’un électron ou d’un muon!


e-

Ze-

1973 Gargamelle

Choc élastique d’un neutrino sur un électron dans le liquide.

Première apparition du boson Z

La naissance expérimentale du ‘Modèle Standard’


e

e

d

u

Famille 1

mc2=0.0005 GeV

mc2 <3 eV

mc2=0.005 GeV

mc2=0.003 GeV

<3 eV

étrange

charmé

Famille 2

0.106 GeV

0.200 GeV

1.5 GeV

beau

top

Famille 3

1,77 GeV

<3 eV

5 GeV

mc2=175 GeV

Le Modèle Standard: 3 familles de quarks Et leptons de spin ½ qui interagissent avec des bosons de spin 1 ( W&Z, gluons)

leptons chargés

leptons neutres= neutrinos

quarks


3 Quarks upcharge 2/3

3 Quarks downcharge -1/3

Electroncharge -1

Neutrino charge 0

Symétrie remarquable:

Chaque quark apparaît avec 3 couleurs ce qui fait que la somme des charges de chaque famille est:

-1 + 0 + 3 x ( 2/3 - 1/3) = 0

Ceci est une condition nécessairepour la stabilité de l’univers


1989 Le nombre de Neutrinos LEP:

•Bien que la théorie demande des familles avec Q=0, elle ne demande rien sur le nombre de familles.. Il pourrait en avoir des milliers. N est déterminé pas la fréquence de production des Z à LEP. Les désintégrations en neutrinos sont invisibles. Plus de désintégrations sont invisibles et moins sont visibles. La production de Z visibles décroit de 13% par famille de neutrinos supplémentaire.

in 2001(fin du LEP): N = 2.984 0.008

ZeevsqqZee ,


Mais quelle est la masse des neutrinos?

Rappels:

la masse d’un electron est mc2 = 0,5 MeVLa masse d’un proton est 2000 fois plus grande

La masse de 3 1026 electrons ou 6 1023 protons est un gramme

Combien faut il de neutrinos pour faire un gramme de neutrinos?

Cette question a un certain intérêt pour comprendre si les neutrinos peuvent être à l’origine de la masse manquante ou cachée de l’univers!


La masse !?!

Pour un object habituel, la masse est simplement approx. la somme des massesdes nucléons qui le composent (nombre de protons et neutrons) – on l’appelle aussi quantité de matière

La masse intervient à la fois pour décrire l’inertie (Force = m x Acceleration )et l’attraction de gravitation Poids = m x g (ce qui est en soi un mystère…)

de façon relativiste la masse est la quantité qui différentie l’énergie de la quantité de mouvement

E2 = (mc2)2 + (pc)2 (à l’arrêt cela devient E=mc2)ou la différence entre la vitesse de la particule et la vitesse de la lumière

v=c si m=o

le temps pour une particule est (particule) = t(humain).E/m (infini si m=0)

Pour un physicien des particules la masse est la force de l’interaction avec le boson de Higgs, ET la quantité qui décrit la possibilité d’une particule Gauche de se transformer en particule Droite

2

42

1E

cmcv


e-+

impulsion

spin

particule (typechargehelicité) e-

-

miroir = Parité, P

e+-

Parité et charge = CP

e-+

Parité x charge x renversement du temps = CPT

un électron qui change de direction (renversement du temps) produit le même courant qu’un positon qui va dans le sens d’origine


e-+

impulsion

spin

particule (typechargehelicité) e-

-

miroir = Parité, P

si je me mets à la place d’on observateur situé dans un vaisseau spatial qui va à une vitesse supérieure à celle de l’électron, la vitesse de l’électron est renversée (il recule par rapport à moi) et je vois ceci:

e-+

à l’arrêt

e--

si je vais à une vitesse V >>2

42

1E

cmcv


Dans le modèle Standard, les neutrinos n’ont pas de masse,

seuls les neutrinos gauches interagissent seuls les antineutrino droits interagissent

on ne peut pas transformer un neutrino gauche en neutrino droit

les neutrinos droits n’existent pas.

Il n’y a pas de problème.

Pas de masse = pas de problème


Histoire des étoiles -- phase IUne étoile de masse moyenne comme le soleil *brule* son hydrogène par le cycle suivant

p p

p

n

p

pe+

e

Ce cycle produit de l’énergie: 2.m(p) > m(D) + m(e+)les positons s’annihilent et les diverses particules ont de l’énergie cinétique qui finit par sortir du soleil sous forme de lumière au bout de plusieus milliers d’annéesCe cycle produit aussi beaucoup de neutrinos.

Deuterium


Neutrinos venus du cielRay Davis

depuis ~1968Nobel 2002!

La détection des neutrinos du soleil avec

600 tonnes de CCl4

• le soleil est un réacteur nucléaire par fusion

Détecteur de la mine de Homestake dans le Dakota

une des réactions : pp pn e+ e

Détection ~1970: e + 37Cl 37Ar + e-

quelques atomes d’argon par jour!

Les neutrinos ont bien été observés ainsi ce qui démontre que le soleil fonctionne par réactions nucléaires!


Mais… on en observe

trois fois moins qu’attendu!

Le ‘puzzle’ des neutrinos solaires depuis 1968!

solutions: 1) le soleil n’est pas ce qu’on croit

… mais de nombreuses mesures sur le soleil sont venues depuis confirmer le modèle du soleil…

Ou 2) les neutrinos oscillent

ce qui veut dire qu’ils ont une masse


Définitions de neutrinos

Le neutrino electron est présent en association avec un electron (ex: des. beta)

Le neutrino muon est présent en association avec un muon (des. de pion)

Le neutrino tau est présent en association avec un tau (W)

Ces neutrinos de ‘saveur’ ne sont pas des états quantiques de masse bien définie (mélange des neutrinos) (ceci veut dire que l’opérateur de génération des masses de particules – qui nous est d’ailleurs complètement inconnu – n’est pas diagonal dans la base des interactions

faibles. Ses états propres sont des ‘mass-neutrinos’ )

Le mass-neutrino qui est le plus semblable à un neutrino electron est

Le mass-neutrino qui est entre les deux est

Le mass-neutrino qui est le plus dissemblable à un neutrino electron est


Mélange de neutrinos

Bruno Pontecorvo 1957


Oscillations de neutrinos (Mécanique Quantique I leçon 5)

source propagation detection

L’ interaction faible Produit des neutrinos de ‘saveur’

Par ex. pion

¦¦¦¦¦(t)¦exp( i E1 t) ¦exp( i E2 t)

¦exp( i E3 t)

La détection se fait à nouveau par interaction faible

ouee

ou

P (e) = ¦ < e ¦ (t)¦2

Les états propres de masse (mass-neutrinos) se propagent

L

t = proper time L/E

Hamiltonien= E = sqrt( p2 + m2) = p + m2 / 2pPour une quantité de mvt donnée les états propres de la propagation dans le vide sont les États propres de masse!


Oscillations de neutrinos

Après de longues années de recherche (depuis 1968! il est établi depuis 1998que les neutrinos changent de caractère en voyageant dans l'espace. première observation: neutrinos produits dans le soleil! (150 000 000 km)seconde observation: neutrinos produits dans l'atmosphère et traversant toute la terre (13000 km) observation récente 2003 (exp. K2K) avec des neutrinos d'un faisceau fait par l'homme. Observation d'un phénomène quantique sur des distances de 100km à millions de km!


Super-K detector

39.3 m

41.3 m

C Scientific American

Cerenkovà Eau

50000 tonnes d’eau ultra-pure

10000 Photo Multiplicateurs de 80 cm de diamètre à 10k$ pièce)

Koshiba (Nobel 2002)



SNO detector

1000 ton of D20

12 m diam. 9456 PMTs

Aim: measuring non e neutrinos in a pure solar e beam

How? Three possible neutrino reaction in heavy water:

only e

equally

e+

in-equally

e+0.1 (


Kamland


Kamland 2008


CONFIRMATION: les neutrinos atmosphériques.


Neutrinos Atmosphériques Distance entre production et détection de ~20km à 12700 km


Super-K detector

39.3 m

41.3 m

C Scientific American

Water Cerenkovdetector

50000 tons of pure light water

10000 PMTs


Séparer et e

ee


Atmospheric : up-down asymmetry

e

Super-K results

up down


Atmospheric NeutrinosSuperKamiokande Atmospheric Result

http://alephwww.cern.ch/~bdl/lepc/lepc.ppt

43

Les neutrinos ont donc une masse (il faut une masse pour pouvoir se transformer en vol) C’est sans doute la découverte la plus fascinante des dix dernières années.

Ces masses sont TRES differentes de celles des autres particules!

Les masses des neutrinos semblent avoir leur origine dans des processus de trés haute énergies trés proches du Big Bang

mc2


Les neutrinos ont une masse

donc un neutrino gauche peut se transformer en neutrino droit! donc les neutrinos droits existent!

mais…. ils n’interagissent pas (seulement par la gravitation) « stériles »

et on ne peut pas les détecter… hmmm…

hypothèses…. hypothèses…

1. les neutrinos droits existent et ils ont la même masse que les gauches ‘Dirac’ (couplage au boson de Higgs comme tout le monde – mais pourquoi si petit?)

2. en fait un neutrino gauche se transforme en antineutrino droit ‘Majorana’ (c’est possible car la charge est nulle) pas de nouvelle particule… mais une transition visible dans des réactions nucléaires très faibles

3. les deux. il existe des neutrinos droits mais ils ont des masses élevées et ils sont « stériles » c’est l’hypothèse la plus probable.


La matière noire

courbe A = loi de Kepler

la Galaxie d’Andromèded

MGv

.

M=masse contenue à l’intérieur de l’orbite

On observe B ce qui indique que la masse augmente linéairement avec la distanceL’univers contient un continuum de matière noire


MATIERE NOIRE

-- des trous noirs?

-- des ‘Jupiters’?

-- des particules neutres supersymmétriques

-- des neutrinos ‘actifs’?

-- des neutrinos stériles?

pas assez

pas assez

pas vues

pas assez

peut-être!


e

e

d

u

Famille 1

mc2=0.0005 GeV

mc2 ?=? <1 eV

mc2=0.005 GeV

mc2=0.003 GeV

<1 eV

s étrange

c charmé

Famille 2

0.106 GeV

0.200 GeV

1.5 GeV

b =beau

t top

Famille 3

1,77 GeV

<1 eV

5 GeV

mc2=175 GeV

Le Modèle Standard: 3 familles de quarks et leptons de spin ½ qui interagissent avec des bosons de spin 1 ( W&Z, gluons)

leptons chargés

leptons neutres= neutrinos

quarks


Vous et moi sommes faits d’ électrons et quarksLes électrons et les quarks sont élémentairespour autant que nous sachions, ils n’ont pas de structure.

Les électrons et quarks se conservent dans les réactions chimiques et physiques. Leur nombre n’a pas varié depuis10-9 secondes après le commencement de l’univers, et ils nous survivront longtemps après notre mort….

Rien ne se perd, rien ne se crée… ?

Conservation des nombres leptonique et baryonique


ENERGIE

Particule + anti-particule

Big Bang

UN MYSTERE…..

Il devrait y avoir autant de matière que d’anti-matière dans l’univers…

où est passée l’anti-où est passée l’anti-matière?matière?

Pour résoudre ce problème évident il faut (Sakharov)

1. Des conditions hors équilibre 2. Une transition matière-antimatière 3. Violation de la symétrie entre matière et antimatière

Le Big Bang nous fournit (1) Il est possible que les neutrinos nous procurent (2) ET (3)L’effet est faible (baryons / photons ~ 10-9)


3 Quarks upcharge 2/3

3 Quarks downcharge -1/3

Electroncharge -1

Neutrino charge 0

Pour briser la symétrie matière-antimatière il faut par exemple pouvoir transformer de la matière en antimatière.

Pour les eletrons et les quarks c’est impossible a cause de la conservation de la charge électrique! e- e+

Pour les neutrinos c’est impossible sisi ils sontde masse nulle (des particules de masse nulle ne se transforment pas) De plus il est fort bien vérifié que l’interactionfaible ne produit que des neutrinos droits et des antineutrinos gauches. La conservation de la matière résulte ici de la conservation du moment angulaire.

Si les neutrinos ont une masseSi les neutrinos ont une massedes transitions neutrino-> antineutrino deviennent possibles … bien qu’extrêmement rares


VIOLATION des symétries T , CP pour les LEPTONS

L’asymétrie matière-antimatière de l’Univers requiert violation de CP ou T

Celle des quarks (bien connue depuis 1964) ne suffit pas

Boris Kayser

e-R

e-L

e+R

e+L

L R

NL R

106

10-2

1014

mécanisme de balançoire


Pourrons nous observer la violation de C.P ou T par les neutrinos?


Consequences des oscillations à trois familles

I Quand les deux oscillations (longue et courte) ont la même intensité elles interfèrent. Le signe est différent pour Ceci entraine violaation de l’invariance CP ou T.

CP: P (↔ e) ≠ P (↔ e

T : P (↔ e) ≠ P (e ↔

Oscillation maximum 1.27 m2 L / E =/2

Atmospheriqu m 2= 2.5 10-3 eV 2 L = 500 km @ 1 GeVSolaire m2 = 7 10-5 eV2 L = 18000km @ 1 GeV

Oscillations de neutrinos de 250 MeV

P (↔ e)






Indication of νμ→νe appearance

in the T2K EXPERIMENT

Alain Blondel – University of Geneva On behalf of the T2K collaboration

13



6 candidatesafter all cuts!

Nexp=1.50.3 for sin2213=0



-- Neutrino Factory (Geer, Palmer)CERN layout

e+ e

_

interacts

giving

oscillates e

interacts giving

WRONG SIGN MUON

1016p/s

1.2 1014 s =1.2 1021 yr

3 1020 eyr

3 1020 yr

0.9 1021 yr

Nouvelle technique d’accélerateur


INO ~7000 km (Magic distance)

Part of Laguna study

Long distance: 2300km Pyhasalmi Fine grain detector e.g. 20kton fid. Larg + Magnetized detectorLong distance allows rapid sensitivity to sign(m2

13)

1st step easier: SPS C2PY consortium 1st priorityNextsteps: HP 50 GeV PS … …or neutrino factory

Getting our feet on (under) the ground:

LAGUNA –LBNO new FP7 design study2011-2014

2 main options

Short distance: 130kmMemphys at FrejusSPL+beta beamCP and T violation

Medium term plans include long term plans!

CERN EOI

CN2PY


LEP a vérifié le Modèle Standard des particules et mis en oeuvre un fantastique pouvoir prédictif.(1989-1994!)

Entretemps….les neutrinos, après avoir fourni au MS sa première pierre expérimentals (Courants Neutres, 1973) étaient en train d’ouvrir la porte surle monde au delà (masses et oscillations de neutrinos)

Ceci pourrait expliquer deux ingrédients essentiels pour comprendre comment,du Big Bang, l’univers a évolué vers notre monde fait de matière.

-- l’existence de matière noire

-- la non-conservation du nombre de leptons (et baryons)

-- la violation de l’invariance par renversement du temps pour les leptons

Obtenir une vérification expérimentale de ces idées théoriques va necessiterde nombreuses années d’expérimentation délicate et précise!

La communauté scientifique (le CERN en Europe) commence à considérer sérieusement un important programme neutrino après le LHC

Les 30 années passées…. et les 30 années futures

Documents

Les neutrinos à la rescousse