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©Silvestre-Brac : neutrinos 1

UNE PARTICULE PASSE-MURAILLE :LE NEUTRINO

B. SILVESTRE-BRACLPSC Grenoble


HISTOIRE D’UNE DÉCOUVERTE ANNONCÉEHISTOIRE D’UNE DÉCOUVERTE ANNONCÉE

Trois types de radioactivité

En 1896, H. Becquerel découvre la radioactivité.Début de l’exploration de l’atome.

En 1897, J.J. Thomson découvre l’électron e-.L’atome n’est pas insécable : il contient uneparticule élémentaire plus petite.

En 1911, E. Rutherford découvre le noyau atomique.De 1910 à 1920, Rutherford et son équipeprécise l’image de l’atome .Atome = 1 Noyau + Z électrons.

Radioactivité αAZ X

A-4Z-2 Y

42 He+


Deux principes de physique sont sacro-saints• Équivalence masse-énergie : E = mc2

• Conservation de l’énergie-impulsion

E

I

attendu E

I

observé

Radioactivité α

E

I

attendu E

I

observé

Radioactivité γ

Radioactivité βAZ X

AZ+1Y + e-

Radioactivité γAZ X* +A

Z X γ


Le déclic vient de W. Pauli en 1930 :le remède du désespoir

“Il m’est venu en désespoir de cause...l’idée d’un expédient pour sauver leprincipe de conservation de l’énergie. Il s’agit de la possibilité qu’il existe dansles noyaux des particules électriquement neutres, que je propose d’appelerneutrons,...La masse des neutrons doit être du même ordre de grandeur quecelle des électrons...Le spectre β continu se comprendrait alors en admettant par hypothèse quelors de toute désintégration β est émis, outre l’électron, aussi un neutron, detelle sorte que la somme des énergies du neutron et de l’électron soitconstante...Je concède que mon expédient pourrait bien apparaître a priori peu crédible,parce que si les neutrons existaient, on les aurait sans doute vus depuislongtemps. Mais il faut oser pour réussir...”

Radioactivité β

E

I

attendu E

I

observé


En 1932, deux découvertes fondamentales :

Il existe 2 types de radioactivité β

Le neutron par J. Chadwick.Le noyau atomique est compris

1 noyau X = Z protons + N neutronsZ = numéro atomique de XA = Z+N = nombre de masse

Le remède de PauliAZ X

AZ+1Y + e- + ν

Le positron e+ par C. Anderson

C’est la première particule élémentaire découverte non présente dans l’atome


Le neutrino est une particule PASSE-MURAILLERIEN NE PEUT L’ARRÊTER...OU PRESQUE !La réaction p → n + e+ + ν est observéeLa réaction inverse ν + p → n + e+ est permise

En 1933, E. Fermi adopte l’hypothèse du neutrino, et construit la première théorie de la radioactivité β (interaction faible).

La radioactivité β-

La réaction de base estn → p + e- + ν

AZ X

AZ+1Y + e- + ν

AZ X

AZ-1 Y + e+ + ν

La radioactivité β+

La réaction de base estp → n + e+ + ν


EST-CE LA FIN DE L’HISTOIRE ? NON !En 1936, C. Anderson et S. Neddermeyer découvrent le μm(μ)= 206 m(e). Le μ est un gros e, instable.

En 1946, C. Powell découvre le π.Le π est instable et donne :π → μ + ν

L’expérience clé : Reines et Cowan en 1956Réacteur nucléaire de Savannah RiverOUF ! VIVE PAULI !

ν p

ne+

γ

Scintillateur liquide

CdCl2


Ce neutrino est-il le même que celui de la radioactivité β?En 1962, L. Lederman, M. Schwartz, J. Steinberger, J.M. Gaillardmontrent que NON !

pπ μ

ν

ν

Fe Roche Détecteurs

550 m 50 m 230 m

PrincipePrincipe : si les 2 ν sont identiques ν + p → n + e+

ν + p → n + μ+

si les 2 ν sont différents ν + p → n + e+

ν + p → n + μ+

C’est la 2e hypothèse qui est vérifiée


EST- CE LA FIN DE L’HISTOIRE ? NON !

Est ce que ce ν est aussi différent des autres?

Si OUI alors ν + p → n + e+

ν + p → n + μ+

ν + p → n + τ+

En 1975, Perl découvre le τm(τ) = 3477m(e) =18 m(μ).Le τ est un très gros électron instable.Le τ est produit à haute énergie:p + X → Y + τ + ν

En 2000, l’expérience DONUTdonne la réponse : c’est OUI!


ντ

μ-e- τ-

νμνe

Leptons

On regroupe les 3 particules chargéeset les 3 neutrinos dans une famille :LES LEPTONS.

Une désintégration intéressante :μ- → e- + νμ + νe

EST- CE LA FIN DE L’HISTOIRE ? OUI !

νe νμ ντ

La largeur du Z0

prouve qu’il n’y a que

3 types de neutrinos.


LES SOURCES DE NEUTRINOSLES SOURCES DE NEUTRINOS


LES NEUTRINOS SONT PARTOUT !Chaque seconde, notre corps est traversé par100 000 000 000 000 000 de neutrinos ! SANS DANGER !≈0 auront provoqué une réaction dans notre organisme.≈ un certain nombre auront interagi avec la Terre.

La radioactivité β produite sur Terre

Ces neutrinos sont de faible énergie. Il proviennent desradio-isotopes présent sur Terre. Ce sont des νe.

La quasi-totalité des neutrinos traverse la Terre sans la voir (un neutrino sur 10 milliards a une interaction avec la Terre).Pour arrêter la moitié d’un faisceau de neutrinos, il fautune épaisseur de plomb de plusieurs années-lumière !


Dans la croûte et le manteau terrestreMaintiennent la fusion à l’intérieur du globe ≈ 40 000 centralesnucléaires. Environ 60 000 000 000 traversent notre corps/s.Dans les réacteurs nucléairesBeaucoup de radio-isotopes lourds sont émetteurs β;A 1 km, nous recevons plusieurs milliards de ν/s !

Dans les accélérateurs de particulesLes faisceaux intenses heurtant la matière produisent des πqui se désintègrent en νe et νμ.Dans notre corpsEt oui ! Nous sommes tous radioactifs !Nous produisons environ 4 000 ν/s (isotope 40K des os)

Le SoleilLe soleil brille à cause de la fusion nucléaire. Celle-ci donne desνe de faible énergie.

Environ 700 000 000 000 000 traversent notre corps/s.


Le cycle de combustion estcomplexe, mais les réactionsde base assez simples :

Bilan global

4 p → 4He + 2e+ + 3γ + 2 νe

Le Big Bang

Les neutrinos du fond cosmique ont été créés et découplés dela matière très tôt (1s après le Big Bang).Ils ont une énergie très faible correspondant à 1,87K.Ils correspondent à tous les types : νe, νμ, ντ.L’Univers dans son ensemble est plongé dans ce bain : 336 ν/cm3.


Les rayons cosmiquesCréés dans la gerbe des rayons cosmiques.

Les rayons cosmiques primairesont des flux s’étendant sur plus de 30 ordres de grandeur et unspectre en énergie très étendu.

Le plus énergétique :

3 1020 eV(balle de tennis sur un ace!)

Très énergétiques, peu abondants, tous les types présents νe, νμ, ντ

Globalement

2 νμ pour 1 νe


Les supernovae

LE NEUTRINO ET SON ANTIPARTICULELE NEUTRINO ET SON ANTIPARTICULELe neutrino possède-t-il une antiparticule ?Deux hypothèses s’affontent.

ν ≠Le neutrino peut avoir une masse nulle.ν et se distinguent par une “charge spéciale”

LE NOMBRE LEPTONIQUEν

ν

Explosion ⇒ étoile à neutrons.Production intense de neutrinos νe, νμ, ντ..Ils sont très énergétiques (30 MeV).Flux extraordinaire 1058 ν dans l’explosionMAIS Il faut être là au bon moment!

Le neutrino de Dirac


ντ

μ-e- τ-

νμνe

Leptons

Le =1Lμ=Lτ=0

Lμ =1Le=Lτ=0

Lτ =1Le=Lμ=0

ντ

μ+e+ τ+

νμνe

Antileptons

Le = −1Lμ=Lτ=0

Lμ = −1Le=Lτ=0

Lτ = −1Le=Lμ=0

Le nombre leptonique se conserve au cours d’un processusn → p + e- + νe Le : 0 = 0 + 1 + (-1) ; Lμ, Lτ : 0 = 0 + 0 + 0

p → n + e+ + νe Le : 0 = 0 + (-1) + 1 ; Lμ, Lτ : 0 = 0 + 0 + 0

νeμ- → e- + νμ + Le : 0 = 1 + 0 + (-1) ;Lμ : 1 = 0 + 1 + 0, Lτ : 0 = 0 + 0 + 0

νττ+ → μ+ + νμ + Le : 0 = 0+ 0 + 0 ;Lμ : 0 = (- 1) + 1 + 0, Lτ : -1 = 0 + 0 + (-1)

Aucune expérience n’a montré une violation de cetteLoi de conservation


Comment les départager ?

ννν = Le neutrino possède une masse

n → p + e- + ν Le : 0 ≠ 0 + 1 + 0

IL Y A VIOLATION DU NOMBRE LEPTONIQUE !

L(ν) = L( ) = 0

Une seule façon est connue : la désintégration double β

Radioactivité β classique

Radioactivité 2β2ν

Réaction de base

AZ X

AZ+1X’ + e- νe+

Y + e- νe+AZ+1X’ A

Z+2

2e-+ νe+22n 2p

AZ X + 2e-+ 2YA

Z+2 νe

Le neutrino de Majorana


Radioactivité classique :T : 10-9s → 1010 ans60Co* → 60Co + γ T = 10 mn14C → 14N + e- + ν T = 5730 ans232Th → 228Ra + α T=1,4 1010 ans

Radioactivité 2β2ν : T : 1019 – 1022 ans100Mo → 100Ru + 2e- + 2ν T = 8,5 1018 ans

76Ge → 76Se + 2e- + 2ν T = 1,58 1021 ans

Extrêmement rare mais observé !

Radioactivité 2β0νe-+ νe+n p

+νe + n p e-

νeSi νe = 2e-+2n 2p

Violation du nombre leptonique

T > 1024 ansAZ X +2e-YA

Z+2 observé ⇒ Le neutrino est de Majorana


L’expérience NEMO3

Seuls les 2 e- sont détectés

Signature : une raie unique pour 2β0ν

•Détecteur de radioactivité ultra faible• Placé sous 1700m de roche (Fréjus)• Matériaux ultra purs

7kg 100Mo1 kg 82Se1 kg 130Te400g 116Cd50g 150Nd10g 48Ca


LA MASSE DES NEUTRINOSLA MASSE DES NEUTRINOS

L’énigme des neutrinos solaires

En 1990, GALLEX et SAGeprennent le relais.Ils mesurent des énergies pasaccessibles par Davis :νe + 71Ga → 71Ge + e-

DÉFICIT CONFIRMÉ !Le flux observé = 60% du flux attendu

Pendant des années, on s’est borné à admettre mν = 0 !

Dès 1968, R. Davis mesure leflux de neutrinos solairesνe + 37Cl → 37Ar + e-

GROS PROBLÈME !Le flux observé = 30% du flux attendu


En 2001, l’expérience SNO(Sudbury Neutrino Observatory, 1000t d’eau lourde) est décisive.

Le flux de νe est (1/3) flux attenduMAIS

Le flux total des ν = flux attendu.L’ÉNIGME EST RÉSOLUE !

L’oscillation des neutrinos

Au cours du temps, une espèce νi sechange en un autre espèce νj !

LES NEUTRINOS OSCILLENT.


Pνi→νj(L) = sin2(2θij) sin2(πL/Dij)θij = angle de mélange ; Dij = longueur d’oscillationParamètres importantsDij (km) = 2,48 Eν (GeV)/⏐mi

2 – mj2⏐(eV2)

Le père de la théorie :Pontecorvo, dès 1957

Les premières expériences :Dans les années 1970-90, une dizained’expériences donnent un résultatNÉGATIF !

Contraintes sur θij et Δm2 = ⏐mi2 – mj

2⏐


Les premiers espoirsL’expérience SuperKamioka en 1998Dans la mine de KamiokaDétecteur 40m×40m, 50 000 t H20 pure11 000 photo-multiplicateurs

Le détecteur La mineDétection d’un e Détection d’un μDétecte la lumière Cerenkov :

On peut discriminer les νe et les νμ

Atténuation du flux de νμDisparition plus grande sousnos pieds que sur notre tête!Les νμ se sont transformés en ντ.


La confirmationL’expérience SNO en 2001 prouve l’oscillationdes νe solaires en νμ et ντ.

L’estocadeEn 2002, l’expérience KAMLANDmesure directement l’oscillationdes νμ venant d’un accélérateur.

Masses absolues

Mνe < 4 10-6 me ( < 2 eV)

Mνμ < 0.37 me (< 0.19 MeV)

Mντ < 35 me (< 18.2 MeV)


C’est acquis !LES NEUTRINOS ONT UNE MASSE

Les neutrinos différents ont des masses différentes.

Les oscillations sont incapablesde donner la masse absolue:seulement une hiérarchie de masse

La mesure directe de la masse est très délicate !

•Expérience double beta :durée de vie fonction de mν

•Désintégration du tritiumDiagramme de Kurie


LE FUTUR DES NEUTRINOSLE FUTUR DES NEUTRINOS

Deux grands types d’expériences prévuesLes oscillations en vedettes

K2K (2003- 2005):T2K (2009- )

distance 250 kmDisparition des νμApparition des νe

MINOS (2005- ): distance testée 710 kmApparition des ντApparition des νe.


CNGS (2006- ): distance testée 732 km

Détecteur : ICARUS

Calorimètre : NOE

Expérience : ICANOE

Expérience : OPERA

Fines feuilles d’émulsion coincées entre des plans de Fe et Pb.


Les télescopes à neutrinos

Sous la glace : AMANDA (2002 - 2006)Entre 1,4 et 2,4 km de glace ! 3000 ν déjà détectés

puis ICECUBE (2005 -)

4200 modules optiquesRépartis sur 70 lignes verticales

Entre 1.4 et 2.4 km de glace.


Sous l’eau des lacs ou de la mer : 2 expériences pionnières

DUMAND (1995- ) sous 5km d’eauà Hawaï

BAIKAL (1998- ) sous 1,1 km d’eau dansLe lac Baïkal (Sibérie)


Les expériences en Méditerranée:

NEMO : au large de la SicileNESTOR : au large de la GrèceANTARES : au large de Toulon

Le neutrino est bientôt centenaire,mais il conserve bien des mystères:

Quelle est la masse absolue des neutrinos?Quels sont leurs mélanges?Est-il de Dirac ou de Majorana?Existe-t-il un neutrino stérile?Les neutrinos ont-ils un moment magnétique?Les neutrinos sont-ils stables?Si les neutrinos sont instables, quelles désintégrations?


LE NEUTRINO….Une particule mystérieuse et fascinante !

Un défi à la physique et à la technologie modernes!

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