Mise à jour 13 Décembre 2014

 

 

CONFÉRENCE MENSUELLE DE LA SAF
 «LE MONDE ÉTRANGE DES NEUTRINOS»

Par Thierry LASSERRE
Physicien CEA IRFU

À l’AgroParisTech 16 rue C Bernard Paris 5.

Le Mercredi 10 Décembre 2014 à 19H00  Amphi Tisserand

 

Photos : JPM. pour l'ambiance (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)

Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur.  Voir les crédits des autres photos et des animations.

Le conférencier a eu la gentillesse de nous donner sa présentation, elle est disponible sur ma liaison ftp et s'appelle :

Lasserre-SAF-2014.pdf, elle est dans le dossier CONF-MENSUELLES-SAF/ saison 2014-2015. .

Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me contacter avant.

 

Cette conférence a été filmée en vidéo (grâce à UNICNAM et IDF TV) et est accessible sur Internet

On la trouve à cette adresse   https://www.youtube.com/playlist?list=PL1ZHG2CIuv2c1-UiH28gnf0E7_qdTEtUG

 

 

 

 

Thierry Lasserre est un de nos plus brillants spécialistes des neutrinos ; il est physicien au CEA, plus exactement à l’IRFU (Institut de Recherche sur les Lois Fondamentales de l’Univers) à Saclay.

 

Il nous parle ce soir des Neutrinos dans l’Univers.

 

L’Univers, un ensemble structuré, allant de :

·         Notre Terre au

·         Système solaire et à son voisinage et à

·         Notre Galaxie puis au

·         Groupe local et au

·         Super amas de la Vierge et aux

·         Super amas locaux et

·         ………

 

 

 

 

Un Univers en expansion, mais expansion accélérée comme on l’a découvert il y a quelques années.

Accélération due à une mystérieuse énergie noire.

 

La matière dans l’Univers.

 

Si toute la matière semble être faite de neutrons, protons et électrons, on ne se rend peut être pas compte que cet ensemble est très minoritaire ; car pour chacune de ces particules, il y a 1 milliard de neutrinos.

Notre corps est traversé chaque seconde par 100.000 milliards de neutrinos solaires.

D’autre part, notre même corps contient 30 millions de neutrinos originaires du Big Bang !

 

 

 

 

Le neutrino est particulièrement invisible, sa masse est évaluée à 1/3500 de la masse du proton !

 

 

 

 

 

 

 

 

LA DÉCOUVERTE DU NEUTRINO.

 

 

 

La radioactivité :

 

C’est un phénomène physique naturel au cours duquel des noyaux atomiques instables se désintègrent en dégageant de l'énergie sous forme de rayonnements divers, pour se transformer en des noyaux atomiques plus stables

 

Or, la radioactivité béta posait un problème, un électron était éjecté du noyau avec une énergie variable ce qui semblait prouver qu'une certaine quantité d'énergie était émise (conservation de l'énergie, une grande loi de la physique) mais non détectée.

 

 

 

 

 

 

 

Un noyau (A , Z) se transforme en un noyau (A , Z+1) avec émission d'un électron, mais on ne trouvait pas de trace d'une autre particule.

 

C'est Wolfgang Pauli, célèbre physicien Autrichien, qui en 1930 émit l'hypothèse qu'une particule neutre devait être émise en même temps que l'électron.

 

Il émet des hypothèses dans sa fameuse lettre du 4 Dec 1930 dont voici un extrait :

« Chers dames et messieurs radioactifs,

Je vous prie d'écouter avec beaucoup de bienveillance le message de cette lettre.  Il vous dira que pour pallier la "mauvaise" statistique des noyaux N et 6Li et le spectre bêta continu, j'ai découvert un remède inespéré pour sauver les lois de conservation de l'énergie et les statistiques. Il s'agit de la possibilité d'existence dans les noyaux de particules neutres de spin 1/2, obéissent au principe d'exclusion, mais différentes des photons parce qu'elles ne se meuvent pas a la vitesse de la lumière, et que j'appelle neutrons. La masse des neutrons devrait être du même ordre de grandeur que celle des électrons et ne doit en aucun cas excéder 0.01 fois la masse du proton. Le spectre bêta serait alors compréhensible si l'on suppose que, pendant la désintégration bêta, avec chaque électron est émis un neutron, de manière que la somme des énergies du neutron et de l'électron soit constante...

J’admets que mon remède puisse paraître invraisemblable car on aurait dû voir ces neutrons bien plus tôt si réellement ils existaient.

Mais seul celui qui ose gagne, … Ainsi, cher peuple radioactif, examinez et jugez. Malheureusement, je ne pourrai pas être moi-même à Tübingen, ma présence étant indispensable ici pour un bal qui aura lieu pendant la nuit du 6 au 7 décembre.

Votre serviteur le plus dévoué,     W. Pauli »

 

Cette particule, il l'appelle d'abord….neutron, mais quelques temps plus tard James Chadwick découvre la particule neutre qui compose le noyau, et qu'il va appeler neutron, alors cette nouvelle particule non encore détectée est baptisée par Enrico Fermi neutrino (petit neutre). 

 

La question se pose alors de la détection de telles particules insaisissables, peut on vraiment les détecter?

En effet à l'époque on calcule la section efficace (probabilité de rencontre) des neutrinos : une année lumière de plomb (soit approx 10.000 milliards de km!), comment va t on faire; il faudrait une quantité énorme de neutrinos pour en faire interagir un seul.

 

C'est en 1956 que Reines et Cowan montèrent une expérience pour détecter des neutrinos, c'est l'époque des premiers réacteurs nucléaires et nos deux physiciens pensèrent qu'un important débit de neutrinos devait être produit à l'occasion de ces réactions nucléaires (désintégration bêta qui suit tout le processus de désintégration et qui émet des neutrinos, en fait des anti neutrinos).

En effet, le réacteur de Savannah River suivant qu’il est éteint ou en marche ne donne pas le même nombre de neutrinos :

 

Réacteur en marche : 4 évènements/heure ; réacteur éteint : 1 évènement/heure.

 

Mais nous sommes nous même émetteur de neutrinos ; le corps humain contient approximativement 20mg de Potassium 40, radioactif béta, il se transforme en Calcium 40 en émettant un électron et un antineutrino.

K40  à  Ca40  +  e-   +  antin

 

Si bien que nous émettons 300 millions d’antineutrinos électroniques chaque jour !

 

 

COMMENT LES DÉTECTER ?

 

Le neutrino interagit très très peu ; sa probabilité d’interaction avec un humain est par exemple de 10-16 !!

Sa détection est pour le moins…..difficile !

 

 

Le modèle standard des particules (MS) seule la première famille de particules donne de la matière stable. Pourquoi ???

Les quatre forces fondamentales, les neutrinos ne sont sensibles qu’à la force faible et à la gravitation.

 

Le modèle standard de la physique des particules est la théorie actuelle qui permet d'expliquer tous les phénomènes observables à l'échelle des particules.

On va s'apercevoir peu à peu qu'il existe plusieurs types de neutrinos.

 

On sait que parmi les quatre forces fondamentales de la nature : Gravitation, électromagnétisme, force forte et force faible, le neutrino n’est sensible qu’à la force faible (et à la gravitation comme tout le monde bien sûr).

Mais oublions la gravitation pour le moment.

 

Un neutrino sur 10.000 milliards est intercepté par la Terre, il faut donc un débit énorme de neutrinos si on veut en détecter quelques uns, alors où les trouver ?? Près d’une centrale nucléaire bien sûr !

 

Les fissions nucléaires en chaîne produisent en moyenne 1021 neutrinos (en fait des antineutrinos) par seconde !

 

C’est le cas par exemple pour le réacteur de Chooz ou double Chooz dans les Ardennes.

 

L'expérience Double Chooz a pour but de mesurer le troisième angle de mélange des neutrinos, θ13, auprès de la centrale nucléaire de Chooz (Ardennes). En parallèle, elle permettra d’évaluer l’intérêt d’une mesure précise du spectre en énergie des antineutrinos dans le cadre des missions de non prolifération de l’agence internationale de l’énergie atomique (AIEA).

 

 

 

 

 

La traque des neutrinos à Chooz :

 

Il y a 1021 neutrinos émis par Chooz par jour, il y en a 1019 qui pénètrent le détecteur par jour aussi.

À 1km on détecte seulement 50 neutrinos par jour !

 

 

On favorise la détection en incluant dans le liquide des huiles synthétiques scintillantes (C18H30) qui contiennent des noyaux de benzène.

 

Le rayonnement ionisant induit par le neutrino va exciter les noyaux de benzène qui vont émettre de la fluorescence qui va être détectée par un tube PM (Photo multiplicateur) par effet photo électrique. (effet cascade, un électron va donner un important signal électrique)

 

(Une remarque : c’est cet effet qui a valu à Einstein son prix Nobel, et non pas la Relativité, le jury Nobel ne la comprenait pas !)

 

 

 

Les sources de neutrinos.

 

 

Il y a de nombreuses sources :

·         Les réacteurs nucléaires

·         Les accélérateurs de particules

·         La Terre (neutrinos géologiques)

·         L’atmosphère

·         Le Soleil

·         Les explosions d’étoiles : les supernovas

·         Les accélérateurs astrophysiques (trous noirs…)

·         L’Univers et ses neutrinos cosmologiques.

 

 

Bref nous sommes cernés …par les neutrinos !

 

 

 

 

 

 

L’ÉNIGME DES NEUTRINOS SOLAIRES.

 

Depuis plus de trente ans, les physiciens détectent moins de neutrinos solaires sur Terre que le nombre prédit par les modèles du Soleil. Ce désaccord constitue l'énigme des neutrinos solaires, une des plus grandes énigmes de la Physique Moderne

 

C’est le cas de Davis qui construit dans la mine de Homestake un détecteur équipé de 600 tonnes de détergent (le Cl va se transformer en Ar grâce au neutrino), il attend en principe un neutrino par jour. Mais il n’en mesure en fait qu’un tiers de la valeur attendue.

 

De même on a construit au Japon au fond d’une mine un détecteur géant : super Kamiokande.

Un détecteur de 50.000 tonnes d’eau ultra pure.

 

Là aussi, on constate un déficit des neutrinos mesuré.

 

 

 

 

 

 

 

 

L’interaction des neutrinos avec l’eau provoque l’émission de cette lumière bleue qui est détectée par une énorme quantité de photomultiplicateurs disposés autour de la cuve. La direction des électrons détectés est liée à la direction des neutrinos et montre (pic) qu’ils proviennent bien du Soleil.

 

 

Une photo du Soleil prise sous terre avec un temps d’exposition de  1500 jours !

 

 

 

 

 

 

Mais qu’arrive-t-il donc aux neutrinos solaires ?

 

 

On s’aperçoit peu à peu qu'il existe plusieurs types de neutrinos.

En fait il faut d’abord se rappeler qu’il existe (au moins ?) trois sortes de neutrinos (trois saveurs) :

·         Le neutrino électronique,

·         Celui associé au muon et

·         Celui associé au Tau.

Jusqu’à présent, seuls les neutrinos électroniques étaient mesurés.

 

Le problème du déficit en neutrinos, vient du fait que le Soleil émet des neutrinos électroniques, qui en cours de route se transforment en les deux autres sortes.

 

Si le premier neutrino détecté était du type « électronique » (associé à l’électron), les faisceaux de neutrinos permettent en 1963 la détection d'un deuxième type de neutrinos, celui associé au méson mu, on dira qu'il existe une deuxième "saveur" au neutrino.

Plus tard en 2000 au Fermilab, on trouvera le troisième type le neutrino associé au méson tau.

 

Ils changent ainsi de saveur.

C'est ce qu'on appelle l'oscillation des neutrinos solaires.

De même, les résultats de plusieurs expériences de détection des neutrinos atmosphériques ont permis de mettre en évidence un déficit entre le nombre de neutrinos atmosphériques de type muonique détectés et les prévisions théoriques.

Il se produit un phénomène similaire d’oscillation. Il y a donc mélange de neutrinos entre ces divers types.

 

Ce changement d'état correspond à un changement de "saveur" leptonique au cours du temps.

Ce mélange des trois états de masse est appelé angle de mélange (et se nomme par la lettre grecque Thêta, mixing angle en anglais), il n'y aurait que trois types d'oscillations possibles.

 

 

Il nous faudrait pour confirmer toutes ces hypothèses, une expérience qui mesure tous les types de neutrinos.

 

Elle existe, ce sont les expériences du SNO (Sudbury Neutrino Observatory) situées à 2 kilomètres sous terre, dans une mine de nickel au Canada qui vont résoudre l'énigme des neutrinos manquants en 2002.

C’est, contrairement aux autres, un détecteur à eau lourde (1000 tonnes  300M$), et c’est cette caractéristique qui permet de mettre en évidence les trois types de neutrinos (n’importe quel type de neutrino peut interagir avec D) et là, …..le compte est bon !

 

 

 

 

LES NEUTRINOS ONT DONC UNE MASSE.

 

Que ce soit le neutrino solaire ou atmosphérique, il s'est donc bien transformé, et s'il est ainsi passé d'une saveur à une autre, les lois de la physique quantique imposent qu'il ait une masse et que celle ci soit différente pour chaque saveur!

 

Des neutrinos de masse nulle ne pourraient pas osciller d'une saveur à une autre, les lois physiques l'interdisent (les masses doivent être différentes pour changer de saveur, donc les masses ne peuvent pas être nulles!), ce qui prouve bien qu'ils ont une masse.

 

Masse électron / 10 millions  <  masse du neutrino   <  Masse électron / 1 million

 

Donc une très faible masse, mais non nulle.

 

L’oscillation des neutrinos.

 

 

Il y a une oscillation périodique des neutrinos, de longueur d’onde :

 

l osc = 2,5 Eneutrino / D m2

 

Il est intéressant de noter que l’oscillation donne le delta des masses au carré.

 

Le modèle standard ne prévoit que 3 neutrinos sensibles à l’interaction faible.

 

 

 

 

 

 

Si on a été capable de mesurer l'angle de mélange thêta 1-3, il semble que à haute énergie les prédictions ne collent pas avec les mesures. Il y a un déficit de neutrinos. Un quatrième neutrino serait il nécessaire?

Ce déficit proviendrait-il de ce neutrino vers lequel une partie des neutrinos d'origine aurait oscillé?

 

Diverses expériences (LSND ; GALLEX , SAGE…) semble indiquer l’existence de ce quatrième neutrino, baptisé « stérile » car il n’interagirait pas avec les autres types, de plus il serait très léger.

Ce neutrino stérile, se mélangerait aux trois autres et aurait une masse inférieure à l'eV.

Ces neutrinos stériles ne seraient sensibles aussi qu'à la gravitation.

 

Mais pour cela il faudrait être très près du cœur du réacteur et même au centre. (Région à explorer)

 

C’est cela le vrai challenge ! C’est de se mettre encore plus près du cœur d'une source fortement radioactive
(le Ce 144), ce sera fait avec l'expérience Borexino (Boron Solar Neutrino Experiment en italien) du Gran Sasso.

 

La désintégration du Cérium (émetteur d'antineutrinos). Période 285 jours, ce qui est compatible avec un transport moyennement lent.

Le Ce est produit en Russie, le trajet du transport de la source de 10.000Ci depuis la Russie jusqu'au tunnel du Gran Sasso en Italie est compatible avec la période radioactive.

 

 

 

 

On attend les résultats dans quelques années.

 

 

MATIÈRE NOIRE.

 

 

On rappelle la composition en masse/énergie de l’Univers actuel :

 

Elle est très ….sombre !

 

 

Nous (les hommes, les étoiles, les galaxies) ne représentons que 0,5% parmi les 4,6% d’atomes, la matière noire 23% et l’énergie noire 72% du total.

 

Bref 95% de notre Univers semble nous échapper.

 

 

 

 

 

On connait tous la découverte de la matière noire grâce à l’étude de la rotation des étoiles dans les bras de galaxies ; il fallait faire intervenir une masse invisible pour rendre compte de la rotation de ces étoiles.

Il semble bien, donc, qu’un halo de matière noire (90%) entoure chaque galaxie (10% de matière visible).

 

De plus, au cours du temps, on s’est rendu compte de l’existence d’une autre force participant à l’accélération de l’expansion de l’Univers, ce que l’on appellera énergie noire.

 

Matière noire et énergie noire compterait pour 95% de l’Univers !! Et la matière visible pour seulement 5%.

 

Un cinquième neutrino pour expliquer la matière noire ?

 

Le modèle en cours depuis une vingtaine d’années est celui de la matière noire froide (CDM), mais ce modèle prédit un grand nombre de satellites autour des galaxies, phénomène que l’on n’observe pas.

Un nouveau modèle apparaît, le WDM (Warm Dark Matter) la matière noire tiède comprenant des neutrinos stériles (donc un cinquième neutrino !) de masse d’ordre de grandeur du keV, qui semble mieux rendre compte de la réalité.

 

 

L'expérience Katrin (Karlsruhe Tritium Neutrino) de nos amis allemands doit nous permettre de mesurer beaucoup plus précisément la masse de ces neutrinos.

 

Et peut être même de confirmer l'existence d'autres neutrinos.

 

On doit chercher dans la partie extrême du spectre (partie droite) à des niveaux extrêmement faibles.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ET L’UNIVERS ?

 

En Février 1987, un éclat lumineux se produit dans le ciel de l'hémisphère sud.

L'étoile Sanduleak-69 202, située dans le Grand Nuage de Magellan (LMC) à 150.000 années lumière, venait de s'effondrer sur elle-même en une Supernova (SN 1987a).  99% de l'énergie dégagée lors de l'effondrement est rayonnée sous la forme de neutrinos (contre 0,01% pour les photons), et 1% seulement en énergie cinétique, en quelques secondes.

 

 

Les neutrinos sont produits car la densité est telle que les protons et les électrons se combinent pour former des neutrons et cela produit des neutrinos (et anti neutrinos).

 

Le flux émis : 1043 neutrinos par m2!

450 1015  (450 millions de milliards ont traversé le détecteur Kamiokande)

Quelques uns vont être détectés par Kamiokande : 10 en 10 secondes !

 

Les neutrinos sont les premiers messagers de la mort d’une étoile.

 

 

 

 

 

 

Voici les 10 neutrinos détectés à Kamiokande.

 

Il y a 150.000 ans, 1058 neutrinos sont émis par SN1987a.

 

450 1015 traversent Kamiokande quelques heures avant la lumière provoquée par l’explosion.

 

Seulement 10 sont détectés en 10 secondes !

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D’autres expériences sont dédiées à la détection de ces neutrinos cosmologiques, comme ICE CUBE.

 

Le Icecube Neutrino Observatory, est un piège à neutrinos de 1km3, construit au Pôle Sud géographique, sous la glace à côté de la base polaire US Amundsen-Scott.

 

Pour plus de détails voir cet article des astronews.

 

En avril 2012, on détecte deux ( !!) neutrinos de haute énergie puis 26 en 2013 ; ce qui fait 28 évènements de haute énergie (plusieurs dizaines de milliers de milliards d’électronvolts, donc de l’ordre du PeV, Peta électron volt 1015 eV) qui ont donné lieu à de nombreuses publications. Les neutrinos se déplaçant en ligne droite, on peut déterminer la direction d’où ils proviennent lorsqu’ils frappent plusieurs détecteurs; mais pas encore la véritable source dans l’espace. On cherche toujours.

 

Est-ce une nouvelle fenêtre vers l’Univers que nous entrouvons avec IceCube, un nouveau type de télescope ?

La chasse continue…..La suite pourrait être un réseau encore plus important de détecteurs s’étendant sur 3km3 cette fois, peut être au large de la Sicile, bref à suivre.

 

 

ENCORE UN MYSTÈRE ?

 

Au moment du Big Bang, il y avait autant de matière que d’antimatière.

 

La dominance de la matière sur l’antimatière (1 milliard contre 1) s’est développée après la création des premières particules

 

Une telle différence de comportement entre neutrino et antineutrino de l’Univers primordial pourrait être à l’origine de l’excès de Matière: c’est la Leptogénèse

 

 

 

CONCLUSION.

 

Les neutrinos sont la particule la plus abondante dans l'Univers, et de loin.

 

Ils sont émis par tous (notamment nous!) et se trouvent partout.

 

C'est un élément de liaison entre l'infiniment grand et l'infiniment petit.

 

De nombreuses questions restent ouvertes comme :

·         Leurs masses qui sont encore inconnues

·         Sont-ils des particules de Dirac ou de Majorana (égales à leurs antiparticules)

·         Angle de mélange ?

·         Violation de symétrie (expliquant la perte d’antimatière) ?

·         Existence de neutrinos stériles ?

 

 

Du fait de leur minuscule probabilité d’interaction avec les matières, les neutrinos peuvent nous renseigner sur les régions les plus denses et les plus éloignées du cosmos, il faut donc continuer à l'étudier.

 

 

 

 

POUR ALLER PLUS LOIN :

 

 

Saisissables neutrinos par Th Lasserre, conférence du 30 Nov 2012.

 

L’histoire du neutrino par le LPHE.

 

Le Soleil et ses neutrinos par l’ENS de Lyon.

  

Le neutrino une particule fantôme par Ph Rosnet Univ B Pascal.

 

Les neutrinos solaires, une énigme enfin résolue - CEA

 

Détection de neutrinos extragalactiques par le Dr Éric Simon.

 

 

Et sur votre site préféré :

 

Les neutrinos, rencontre du 4ème type : CR de la conf CEA de TH Lasserre du 19 juin 2014 

 

Le mystère des neutrinos : CR de la conf SAF de D Vignaud du 16 Déc 2009

 

Le charme discret des neutrinos : CR de la conférence de H Reeves aux RCE 2006 le 12 Nov 2006

 

Les Super Novae : CR de la conférence IAP de N Prantzos du 6 Mars 2007

 

Daniel VIGNAUD : Les neutrinos ; CR conf. du 8 Juillet 2009

 

L'Univers des Neutrinos : CR de la conférence SAF de Th Lasserre

 

La matière noire et le neutrino stérile conf par Th Lasserre lors du séminaire de l’école Chalonge du 27 nov 2014.

 

 

 

Bon ciel à tous

 

 

Jean Pierre Martin   Président de la commission de cosmologie de la SAF

www.planetastronomy.com

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