Les neutrinos, messagers des Les neutrinos, messagers des grands événements de l'universgrands événements de l'univers

e

Dominique Boutigny

RAP 2007

Petite histoire du neutrino (1)Petite histoire du neutrino (1)

Découverte de la radioactivité en 1896

Plusieurs types de radioactivité

Alpha : émission d'un noyau d'Hélium

Bêta : émission d'un électron

Gamma : émission d'un photon

Pierre et Marie Curie (1902)

L'étude de la radioactivité bêta semble montrer que seul un électron est émis Si c'est le cas, cet électron devrait avoir une énergie bien définie

E

E

N

N

1914

Petite histoire du neutrino (2)Petite histoire du neutrino (2)

Faut-il renoncer au principe de conservation de l'énergie ?

Niels Bohr y pense sérieusement

Gros problème conceptuel

En 1930 Wolfgang Pauli envoie une lettre étrange à ses collègues

Chers dames et messieurs radioactifs

Je vous prie d'écouter avec beaucoup de bienveillance le message de cette lettre …

Pauli émet l'idée qu'une particule invisible est émise

Il l'appelle "Neutron"

Ce neutron aurait d'après lui une masse faible

Petite histoire du neutrino (3)Petite histoire du neutrino (3)En 1932 James Chadwick découvre le neutron

Malheureusement ce neutron est beaucoup trop lourd pour correspondre au "neutron" de PauliL'idée de la particule de Pauli fait son chemin, Francis Perrin montre que sa masse doit être plus petite que celle de l'électron et imagine même qu'elle peut être nulle !

Les masses

électron: 9.1 10-31 kg – 0.5 MeV

neutron: 1.7 10-27 kg – 940 MeV

proton: 1.7 10-27 kg – 938 MeV

Enrico Fermi propose d' appeler la particule de Pauli

"neutrino"

Bethe et Peierls montrent que cette mystérieuse particule sera bien difficile à détecter car elle peut traverser la terre sans interagir !

Et 54 ans plus tard … la découverte Et 54 ans plus tard … la découverte du neutrinodu neutrino

Comment découvrir cette particule insaisissable ?

Il faut une source qui produise une quantité colossale de neutrinos

Une explosion nucléaire ? (nous sommes dans les années 50 …)

Une centrale nucléaire…Finalement en 1956 Frédérick Reines et Clyde Cowan découvre le neutrino ou plus exactement l'anti-neutrino

1000 MW 1000 milliards de milliards d'anti-neutrinos/s

Là où ça se complique…Là où ça se complique…La physique moderne nous dit qu'il existe 3 (et seulement 3) sortes de neutrinos légers dans la

nature

e

électronmuon

tau

e--

-

Famille des leptons

+ Anti-particules

Mis en évidence en 1962

Mis en évidence en 2001 !

Le neutrino est une particule sans charge électrique et qui interagit très peu avec la matière

Jusqu'en 1998 on ne sait pas si elle a une masse ou si celle-ci est nulle

Le Soleil, source de neutrinos (1)Le Soleil, source de neutrinos (1)

Crédit: NASA/STEREO/Naval Research Laboratory

Le Soleil est un gigantesque réacteur à fusion nucléaire

C'est une source intense de photons et de neutrinos électroniques

Source Wikipedia:

Des éléments plus lourds émettent aussi des neutrinos par désintégration bêta : Bore – Béryllium

8B 8Be + e+ + e

Chaîne p - p

2H

3He

4He

H

Le Soleil, source de neutrinos (2)Le Soleil, source de neutrinos (2)Chaque cm2 de la Terre reçoit chaque seconde 65 milliards de neutrinos en provenance du Soleil Comment les détecter ?

Un neutrino solaire a 1 chance sur 1000 milliards d'être arrêté par la Terre

Difficulté énormeBruno Pontecorvo propose d'utiliser la réaction

e+ 37Cl 37Ar + e- Raymond Davis réalise

l'expérience avec 400 m3 de Perchloréthylène au fond de la mine Homestake dans le Dakota du Sud (1400 m sous terre)L'expérience a fonctionné en continu de 1970 à 1994 !

Extrêmement difficile : 1 seul atome d'Argon produit chaque semaine

Et ça marche !!! Ray. Davis observe bien les neutrinos du Soleil mais ne trouve qu' ¼ du nombre attendu

Radioactif

Le Soleil, source de neutrinos (3)Le Soleil, source de neutrinos (3)De nombreuses expériences se succèdent avec des détecteurs de plus en plus énormes comme l'expérience Kamiokande puis super-Kamiokande au Japon

50 000 tonnes d'eau ultrapure

+ e- + e-

Intermède… l'effet Cerenkov ou Intermède… l'effet Cerenkov ou TchérenkovTchérenkov

La vitesse de la lumière dans un milieu transparent dépend de son indice de réfraction

Une particule chargée qui traverse un milieu avec une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière dans ce milieu crée une onde de choc

L'onde de choc se manifeste par une émission lumineuse tout au long de la trajectoire de la particule

Particule chargée

L'angle d'ouverture du cône lumineux dépend de la vitesse de la particule

Lumière Cerenkov

Source: http://www.physlink.com/ae219.cfm

Le Soleil, source de neutrinos (4)Le Soleil, source de neutrinos (4)

Le déficit de neutrinos solaire est toujours là …

Le soleil vu par SuperK

1000 m sous terre

1500 jours de pause !

Attendu

Observé

Les rayons Les rayons cosmiques sources cosmiques sources

de neutrinosde neutrinosLes rayons cosmiques primaires sont essentiellement des protonsIls interagissent dans la haute atmosphère et engendrent une gerbe de particules secondairesAu niveau du sol ne survivent que les muons et les neutrinosIl y a ~ 2 fois plus de que de e

e- e

Terre

Atmosphère

proton

proton

Trajet du : ~ 15

km

Trajet du : ~ 13 000 km

Super Kamiokand

e

Détection des neutrinos atmosphériquesDétection des neutrinos atmosphériques

Il est possible de prédire assez précisément le nombre de neutrinos atmosphériques détectables

Super Kamiokande est capable de déterminer la direction des neutrinos

Ce qu'observe l'expérienceCe qu'observe l'expérience

Attendu

Observé

Angle d'arrivée

Nom

bre

de

d

éte

cté

s

Les arrivent par le haut

Les ont traversé la Terre avant d'être détectés

La moitié des neutrinos muoniques qui ont traversé la Terre sont manquants

1998

L'explicationL'explication

Déficit de neutrinos solaires

Déficit de neutrinos atmosphériques

Phénomène d'oscillation des neutrinos

e

Trois états observables

(saveur)

1

Trois états de masse

Au moment de sa détection le neutrino a une certaine probabilité d'avoir changé d'identité

2

e

1

Propagation

Confirmations et conséquences Confirmations et conséquences Le phénomène d'oscillation a été confirmé par plusieurs expériencesLe déficit de e du Soleil est expliqué

par une oscillation lors du trajet Soleil - TerreConfirmation par l'expérience Sudbury Neutrino Observatory (Ontario) Complète cohérence du modèle (2001)

1000 tonnes D2O

Confirmation également grâce à des faisceaux de neutrinos produits par des accélérateurs (disparition des )

Les neutrinos ont une masse malheureusement on ne la connaît

pas ! On connaît juste la valeur absolue de la différence des masses

au carré (m2)

Confirmation encore par des expériences à côté de réacteurs nucléaires (disparition des e )

Les neutrinos des SupernovaeLes neutrinos des SupernovaeEffondrement puis explosion violente d'une étoile en fin de vieFormation d'un cœur de neutrons émission intense de neutrinos

p + e- n + e

168 000 années-lumière de la terre

SN 1987A dans le Grand Nuage de Magellan

Détection des neutrinos de SN 1987ADétection des neutrinos de SN 1987A

Credit: George Sonneborn (Goddard Space Flight Center), Jason Pun (NOAO), the STIS Instrument Definition Team, and NASA/ES

Le 23 février 1987, 3 laboratoires souterrains détectent une bouffée de neutrinosQuelques heures plus tard la Supernovae est découverte en optique

Et la prochaine…Et la prochaine…Si Bételgeuse (425 A.L. ) explose … Super-Kamiokande détectera ~ 60 millions de neutrinos …

Le fond diffus de neutrinos (1)Le fond diffus de neutrinos (1)On estime qu'une Supernovae explose chaque seconde dans l'univers visible

Il doit donc exister un fond diffus de neutrinos dans l'univers correspondant à toutes les Supernovae qui ont explosé dans le passéLes futurs grands détecteurs souterrains pourraient les voir

1 million de tonnes d'eau !

Projet MEMPHYS dans le tunnel routier du Fréjus

Projet Hyper Kamiokande au Japon

Le fond diffus de neutrinos (2)Le fond diffus de neutrinos (2)

Il y a également un fond cosmologique de neutrinos issus du Big-Bang

Analogue au rayonnement fossile à 2.73 oK

La plus vieille "lumière" de l'univers émise ~ 380 000 ans après le big-bang

Probablement très difficile à détecter

Il y a eu une émission similaire de neutrinos ~ 1 seconde après le Big-Bang

Les neutrinos cosmiques de très Les neutrinos cosmiques de très grande énergiegrande énergie

Les phénomènes les plus violents de l'univers émettent des neutrinos de très grande énergie

• Galaxies actives : Quasars - Blazars

• Sursauts gamma

On évolue dans un domaine très peu connu

Certains de ces neutrinos pourraient être associés à des phénomènes physiques complètement nouveaux

L'intérêt des neutrinos est qu'ils voyagent en ligne droite et n'interagissent pratiquement pas

Physique exploratoire par excellence

Défauts topologiques liés à la structure de l'univers

Leur direction pointe vers la source qui les a émis

Ces neutrinos sont très rares, il faut des détecteurs gigantesques pour les voir

Au pôle sud: Ice CubeAu pôle sud: Ice Cube

En cours de déploiement

Les détecteurs de lumière sont installés dans la glace entre 1450 m et 2450 m sous la surface

Source: http://gallery.icecube.wisc.edu

1 km2

Source: http://gallery.icecube.wisc.edu

Au large de Toulon: ANTARES Au large de Toulon: ANTARES En cours d'installation par 2500 m de fond

1 km3 une fois terminé

ANTARES est particulièrement bien placé pour observer les neutrinos en provenance du centre galactique

(… après leur traversée de la terre !!!) Source: Les défis du CEA –

no 113

(c) F.Montanet, CNRS/IN2P3 and UJF for Antares

ConclusionsConclusions

Les neutrinos sont des particules aux propriétés étonnantes

Les grands événements de l'univers émettent de très grandes quantités de neutrinos

Nous assistons à l'émergence d'un nouveau domaine de l'astronomie basé sur les neutrinos

Mais les astronomes neutrino-amateurs ne sont pas encore nés

Pour en savoir plusPour en savoir plus

Généralités http://fr.wikipedia.org/wiki/Neutrino

elementaire.web.lal.in2p3.fr/documents/NeutrinoHorsSerie.pdf Histoire des neutrinos http://wwwlapp.in2p3.fr/neutrinos/neut.html

Oscillation des neutrinos http://elementaire.web.lal.in2p3.fr/documents/numero3/decouvertes.pdf

Les neutrinos des Supernovae www.fas.org/sgp/othergov/doe/lanl/pubs/00326615.pdf

SupplémentSupplément

Source: http://www.ps.uci.edu/~tomba/sk/tscan/pictures.html

Super-Kamiokande

Muons Électr

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