Les neutrinos en trois mots: une petite fenêtre sur les caméléons des particules élémentaires.

This is a French adaptation of an older post where I presented the wonderful world of the neutrinos. For more information (in English), please see here.

Comme promis à @planetenamek, voici finalement un petit texte sur les neutrinos, ou en fait sur les particules les moins standards du Modèle Standard de la physique des particules.

L’image à gauche illustre l’un des futurs détecteurs destinés à en apprendre plus à leur sujet.

Ci-dessous, je vais donner des infos sur la façon dont les neutrinos ont été introduits théoriquement et ensuite découverts. Finalement, j'expliquerai pourquoi je les ai traités de caméléons.

Tant qu’à faire, je promets qu’aucun caméléon n’a été blessé pendant l’écriture de cet article….

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LES DESINTEGRATIONS RADIOACTIVES ‘BETA’

Les neutrinos sont apparus au début du 20^ème siècle en tant que particules noires (comme la matière noire) et ont joué un rôle important dans le contexte de la radioactivité. A cette époque, les physiciens étudiaient des réactions où un noyau atomique X était transformé en un autre noyau atomique Y et un électron (voir l’image ci-dessous).

Le noyau de départ X est fait d’un bon tas de protons (les gars en rouge sur l’image) et d’un second bon tas de neutrons (les gars en bleu sur l’image).

Durant la réaction, l’un des neutrons est converti en un proton et un électron (lui c’est le petit gars en orange), de sorte que le noyau Y contient un proton de plus que le noyau X, et un neutron de moins.

C’est cela que l’on appelle une désintégration beta dans le contexte de la radioactivité. L’image ci-dessus est en fait la façon dont une telle réaction était vue il y a 100 ans. Les choses ont fort changé depuis.

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ET VOILA NOS NEUTRINOS A LA RESCOUSSE

Quoi qu’il arrive, des quantités comme l’énergie sont toujours conservées au cours de processus physiques. A l’aide de ces lois dites de conservation, on peut calculer exactement l’énergie cinétique emportée par l’électron (je la note E_e). Cette énergie vaut la difference entre la masse du noyau parent X et du noyau fille Y (je note cette différence Q).

La prédiction théorique est donnée sur la figure de droite, en rouge: E_e = Q. En bleu, les données expérimentales… aie aie aie…

L’énergie cinétique peut prendre tout un tas de valeurs inférieures ou égales à E_e = Q. Et le spectre est continu (toute valeur est possible).

Mais l’énergie doit cependant être conservée. Il s’agit d’un concept que l’on ne peut abandonner, et très bien ancré théoriquement et expérimentalement. On a donc une méchante contradiction ici.

La solution vint de Pauli dans les années 30: une particule supplémentaire serait produite durant la réaction. Elle est invisible et donc non détectée.

Du coup, c’est la somme des énergies de l’électron et de cette particule qui doit donner Q, et on est sauvé car E_e peut du coup prendre toute valeur entre 0 et Q.

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LA THEORIE CONTRE-ATTAQUE

Fermi fut le premier à prendre l’idée de Pauli au sérieux. Le nom de neutrino donné à cette nouvelle particule invisible sonne italien, et est en fait un honneur à Fermi. On va noter le neutrino ν_e dans la suite.

Fermi a modélisé la désintégration beta comme une interaction entre un proton, un neutron, un électron et un neutrino (voir à gauche). En permutant les particules initiales et finales, cette même interaction dicte la façon dont les neutrinos interagissent avec la matière.

Elle est ainsi à la base de toutes les expériences neutrinos passées, présentes et futures.

Si l'on fait les calculs, on se rend compte que le neutrino peut se déplacer de plusieurs milliers d’années-lumières dans l’eau sans qu’il ne lui arrive rien. Bref, on a ici une interaction pas facile à observer.

Mais c’est jouable. Il suffit d’avoir des détecteurs géants (plusieurs tonnes de matériau) et d’être (très) patients. Et ça a marché come sur des roulettes! Les données sont là pour nous le prouver.

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TROIS FAMILLES DE NEUTRINOS

Un peu plus tard dans notre fil historique, des particules ressemblant à de très gros électrons ont été découvertes: le muon et le tau.

Et bien évidemment, on a aussi découvert les neutrinos associés (un gros électron a ainsi un gros neutrinos comme compagnon). Ces particules sont représentées dans la figure de droite.

Les symboles de l’électron, du muon et du tau sont respectivement e, μ et τ, tandis que les neutrinos sont notés par un symbole ν avec un indice indiquant leur nature électronique, muonique et tauique.

Dans notre jargon, on parle de trois saveurs de neutrinos.

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LA MASSE DES NEUTRINOS

Le Modèle Standard de la physique des particules est construit sur des principes de symétrie, et ces symétries (prises en compte avec les données) contraignent la forme des interactions des neutrinos. Cela implique aussi que les neutrinos sont non massifs.

Cependant, les expériences récentes ont montré le contraire: les neutrinos sont massifs… et donc pas si standards que ça…

Le fait que les neutrinos soient massifs implique de plus qu’ils changent de saveur lorsqu’ils se propagent ou interagissent. On peut produire un neutrino électronique quelque part dans l’univers et détecter un neutrino muonique sur Terre!

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RETOUR AUX CAMELEONS

Il existe plusieurs explications pour les masses des neutrinos, et chacune implique de nouveaux phénomènes qui n’ont pour le moment pas été observés (damned!). Le fait que les neutrinos soient massifs a aussi une autre conséquence: les neutrinos sont des mélanges de saveurs.

Chaque neutrino peut être considéré comme un caméléon qui peut changer sa nature électronique (rouge sur l’image), muonique (violet sur l’image) et tauique (jaune sur l’image).

Chaque neutrino a ainsi une certaine quantité de chaque saveur, et leur composition va dicter les probabilités de détection de l’une ou l’autre saveur.

Ce qu’il reste à faire aujourd’hui: mesurer la composition des neutrinos et leur propriétés de façon plus précise.

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RESUME ET REFERENCES

J’espère que cet article introductif sur le monde des neutrinos vous a plu. J’ai tenté d’expliquer de façon simplifiée d’où venaient les neutrinos et comment expérience et théorie ont évolué jusqu’à aujourd’hui. J’ai finalement évoqué le problème des masses des neutrinos et de leurs oscillations d’une saveur à l’autre.

Tout commentaire est bienvenu!

Pour plus d’informations (en anglais):

• La revue du Particle Data Group en ligne et en fichier PDF.
• Des notes de cours du CERN.

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