Mise à jour 15 Novembre 2017
CONFÉRENCE MENSUELLE
DE LA SAF
«L’OSCILLATION DES NEUTRINOS:
DE BRUNO PONTECORVO AU PRIX NOBEL 2015»
Par Daniel VIGNAUD
Astrophysicien APC.
À TelecomParisTech
46 rue Barrault Paris 13.
Le Vendredi 10
Novembre 2017 à 19H00 Amphi
Thévenin
Photos : JPM et DB 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 se nomme :
Vignaud-SAF-Neutrinos-nov2017.ppt,
qui se trouve dans le dossier CONF-MENSUELLES-SAF/ saison 2017-2018. .
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=PL1ZHG2CIuv2dhqjktOLanBwZ8R4ZXzLrZ
Daniel Vignaud fait partie du
groupe
« neutrinos » du laboratoire d’Astroparticules et de cosmologie APC.
Voilà ce qu’il en est dit sur leur page d’accueil :
Le neutrino joue un rôle-clé à la
frontière de la physique des particules et de l'astrophysique. Sa masse a de
fortes implications en physique des particules, car elle ouvre une porte vers
les théories de grande unification au-delà du modèle standard, et en cosmologie,
en liaison avec la matière noire. Sa nature même n'est pas établie : est-il une
particule de Majorana ou de Dirac, c'est-à-dire est-il ou pas sa propre
antiparticule ?
Le neutrino est en outre un messager
incomparable: sa faible probabilité d'interaction lui permet de s'extraire
aisément des milieux émissifs les plus denses (Soleil, couches profondes des
supernovas, noyaux actifs de galaxies) et de sonder l’univers sur des distances
cosmologiques.
Le neutrino existe en trois saveurs (ne,
nm,
nt).
Un des résultats les plus importants de ces dernières années en physique des
particules est la découverte du phénomène d’oscillation des neutrinos,
c'est-à-dire leur transformation d’une saveur à l’autre pendant leur
propagation, ce qui implique que les neutrinos aient une masse non nulle (ce qui
n’était pas prévu à l’origine par le modèle standard de la physique des
particules). Les oscillations ont été découvertes avec les expériences de
neutrinos solaires (comme Borexino) et de neutrinos atmosphériques et ensuite
confirmées par les expériences auprès de réacteurs et sur faisceaux, qui ont
permis une mesure précise des paramètres de mélange. Le dernier en date étant
l’angle de mélange
q13,
mesuré entre autres par l’expérience Double Chooz (image) à laquelle le
laboratoire a pris une part de premier plan. La valeur non nulle de ce paramètre
ouvre désormais la voie vers l’étude précise de la transition
nm à
ne avec les neutrinos atmosphériques
(projet KM3NeT/ORCA) et les neutrinos de faisceau (projet DUNE et R&D associée
WA105 au CERN). Ceci devrait permettre de connaître l’ordonnancement des masses
des neutrinos et la mesure de la phase CP, paramètre fondamental lié à
l’asymétrie matière-antimatière dans l’univers.
C'est dans ce contexte que le groupe
"neutrinos" du laboratoire APC contribue aux principaux axes de la physique du
neutrino à travers les projets déjà mentionnés et une participation à
l’expérience de future génération auprès de réacteurs JUNO. Le groupe est
également impliqué dans l’expérience SOX qui étudie les oscillations sur courte
distance afin d’explorer l’éventuelle existence d’une quatrième famille de
neutrinos, dite stérile, en ce sens qu’elle n’interagit pas avec la matière.
Le groupe Neutrinos de l’APC est
également membre de la collaboration DarkSide,
qui développe une nouvelle technologie de TPC à Argon liquide et gazeux
pour la recherche directe de matière noire.
Dans le domaine de l'astronomie neutrino,
la participation à l'exploitation du télescope à sous-marin ANTARES et à son
successeur KM3NeT/ARCA est évoquée dans la section sur l'astrophysique à haute
énergie.
(Je me suis inspiré de temps en temps, de comptes rendus déjà
écrits sur un sujet identique)
Nous sommes baignés en permanence par
65 milliards de
neutrinos par cm2 et par seconde venus du Soleil
Notre corps humain contient aussi environ 20 millions de
neutrinos issus du Big Bang et émet chaque seconde quelques milliers de
neutrinos liés à sa radioactivité naturelle
Les neutrinos sont également produits dans l'interaction des
rayons cosmiques dans l'atmosphère ou dans les noyaux actifs de galaxies...
POURQUOI
LES NEUTRINOS?
Les neutrinos sont apparus suite à une anomalie que l'on avait
détectée avec le rayonnement Bêta.
La désintégration bêta moins, c'est la transformation d'un
neutron d'un noyau en proton, la désintégration bêta plus est la transformation
d'un proton en neutron.
Dans la radioactivité bêta moins, 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.
Les lois de conservation de l'énergie n'étaient plus respectées,
ce qui posait problème.
C'est Wolfgang
Pauli, qui émit l'hypothèse qu'un particule inconnue emportant l'énergie
manquante, devait être émise à l'occasion de cette réaction.
Cette particule "virtuelle" n'est pas encore détectée, mais elle
sera baptisée neutrino. Son symbole : n
En fait lors de l'émission bêta moins, c'est un anti-neutrino qui
est émis suivant la réaction :
Le neutrino n'a
en fait été détecté que près de 25 ans plus tard, en 1956.
Il fut mis en évidence à Savannah River près d'une pile atomique
par Reines et Cowan.
Ensuite Brookhaven, le CERN et le Fermilab mettent en évidence
les différentes sortes de neutrinos.
Les dernières expériences montrent qu'il ne peut exister QUE
trois sortes de neutrinos.
Comment interagissent les neutrinos ??
Très
faiblement !
Ce sont de vrais passe-muraille!
Si les neutrinos ont une masse, lorsqu'ils se déplacent, ils
peuvent se transformer (plus ou moins totalement) d'une espèce dans une autre.
Le phénomène est périodique en fonction de la distance L entre la
source et le détecteur et prend le
nom d'oscillations
C’EST LÀ
QU’INTERVIENT BRUNO PONTECORVO.
Mais la plupart des gens n’ont jamais entendu parler de B
Pontecorvo, qui est donc Bruno Pontecorvo ?
Pour (presque) tout savoir à son sujet, voire le livre de Frank
Close de 2015 (en anglais) :
“The
divided life of Bruni Pontecorvo, physicist or spy?”
Il existe une traduction française chez Flammarion parue en
2016 : « Le
mystère Pontecorvo »
On voit sur la slide ci-contre les principales dates
correspondant à B.Pontecorvo.
On se rend compte qu’il a eu une longue période où on avait perdu
sa trace. Certains pensent qu’il était passé à l’Est avec sa famille. Bref,
toujours un mystère.
On voit sur cette diapo, la parcours erratique de Bruno
Pontecorvo.
Passant d’Italie, à Paris puis à Montréal au Canada, puis aux USA
et retour en Europe en Angleterre à Harwell (centre de recherche atomique) avant
d’atterrir en Russie Soviétique.
L'OSCILLATION DES NEUTRINOS.
Les neutrinos sont de trois types (on dit trois "saveurs"), et
quand ils se déplacent, il semble qu'ils puissent passer d'une espèce à l'autre
plus ou moins totalement, le phénomène est périodique en fonction de la
distance, c'est ce que l'on appelle l'oscillation des neutrinos.
Le fait qu'ils se transforment de l'un en l'autre type (prévu par
la MQ), prouve qu'ils ont une masse, car le fait de passer d'un type à l'autre
implique qu'ils n'aient pas la même masse, donc pas de masse zéro.
Différentes expériences actuelles, permettent de donner des
limites et des rapports entre les masses des différentes sortes de neutrinos.
Le neutrino serait 10
milliards de fois moins massif que l'électron, néanmoins, il contribue au
bilan massique de l'univers et ne peut excéder quelques pourcents, ce qui est
tout de même du même ordre de grandeur que la masse de toutes les étoiles (0,3%
de tout l'Univers)!
L’oscillation des neutrinos, c’est-à-dire, le fait de passer
d'une saveur à une autre, font que 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.
LES
NEUTRINOS SOLAIRES.
C'est en 1938, que Hans Bethe imaginait que des réactions
nucléaires de fusion étaient au cœur de la production d'énergie des étoiles, et
en premier lieu du Soleil.
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La température du Soleil est suffisamment élevée pour qu'il y ait
réaction de fusion; il se produit plusieurs réactions nucléaires qui peuvent se
résumer à cela :
Des neutrinos sont produits pendant ces réactions ainsi qu'une
énergie de 4 10-12W, c'est cela qui nous chauffe.
On peut calculer le flux de neutrinos arrivant sur Terre.
Le résultat est le chiffre déjà annoncé : 65 milliards par cm2
et par seconde.
Les neutrinos produits par les réactions nucléaires au cœur du
Soleil sont du type électronique; ils se transforment au fil de leur voyage vers
la Terre, et à leur arrivée, ils ont à la fois la forme des neutrinos
électroniques et des deux autres types.
Ils changent ainsi de saveur.
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Public passionné et
écoutant religieusement le conférencier !
LES
NEUTRINOS ATMOSPHÉRIQUES.
Les rayons cosmiques interagissent avec l'atmosphère et
produisent des gerbes de particules que l'on peut observer en fonction de
l'angle d'arrivée.
Il y a principalement création de neutrinos muoniques et
électroniques. Il y a deux fois plus du premier type que du second.
Mais on a mis en évidence un déficit entre le nombre de neutrinos
de type muonique détectés provenant des antipodes et les prévisions théoriques,
on n'en détecte pas deux fois plus que des types électroniques. Pourquoi?
Se transforment-ils pendant le voyage comme les neutrinos
solaires?
On les détecte au SuperKamiokande quand ils ont traversé toute la
Terre.
On s'aperçoit que le nombre de neutrinos détectés provenant du
"haut" est le nombre attendu (les neutrinos muoniques descendants n'ont pas le
temps de se transformer dans une autre saveur avant d'atteindre le détecteur,),
alors que le nombre de neutrinos provenant du "bas" (ayant traversés la Terre et
parcourent jusqu'à mille fois plus de chemin, se convertissent vraisemblablement
en neutrinos tauiques) est en déficit d'un facteur deux.
Ils se transforment aussi comme les neutrinos solaires.
C’est la
lumière Cherenkov
que l’on détecte.
PRIX
NOBEL 2015.
Takaaki Kajita est un physicien Japonais spécialiste des
neutrinos, il a été à l’Institut ICRR (Institue for Cosmic Radiation Research)
de Tokyo avant de devenir Directeur du Center for Cosmic Neutrinos
à l’ICRR.
Il obtient son doctorat (PhD) en 1986, sur la recherche de la
désintégration éventuelle du proton, qui n’a pas été mise en évidence.
Il est célèbre pour ses recherches sur les neutrinos à
l’Observatoire Kamiokande et Super-Kamiokande, où il remarque les déficits de
certaines classes de neutrinos.
C’est en Octobre 2015 qu’il obtient avec son collègue Canadien
le Prix Nobel de Physique 2015 pour
la découverte des oscillations de neutrinos.
Suite à son Nobel, il
donne une conférence publique à la Sorbonne en Avril 2016
Bruno Pontecorvo, l’inventeur de l’oscillation des neutrinos… et
de beaucoup d’autres idées géniales sur les neutrinos
Il aurait mérité aussi un Prix Nobel !
CONCLUSION.
Les neutrinos sont les messagers des phénomènes fondamentaux dans
l'Univers.
La mort des étoiles massives en SN émet une énorme quantité de
neutrinos.
Ce sont les plus vieux fossiles de l'Univers, mais ne pèsent pas
lourd dans la masse manquante.
La découverte de la masse non nulle des neutrinos ouvre une
fenêtre sur une nouvelle physique au-delà du modèle standard.
L'astronomie des neutrinos en est à ses balbutiements mais est
très prometteuse, et il reste encore tant de mystères à dévoiler…
POUR ALLER PLUS LOIN :
Daniel VIGNAUD : Les neutrinos ; CR conf. du 8 Juillet 2009
Le monde étrange des neutrinos : CR de la conférence SAF de Th Lasserre du
10 Dec 2014
Oscillating Neutrinos : CR conf Prix Nobel de Physique 2015 à la Sorbonne du
6 Avril 2016
Masses et
oscillations de neutrinos, cours IN2P3.
Bruno
Pontecorvo, mister Neutrino ! Par SM Bilenky.
L'histoire du neutrino par l'IN2P3.
La matière noire et le neutrino stérile par Th Lasserre du CEA dans le cadre
de l'école Chalonge
Les neutrinos, rencontre du 4ème type : CR de la conf CEA de TH Lasserre du
19 juin 2014
Prochaine conférence
mensuelle de la SAF :
Vendredi 15 Décembre 19H00
CONFÉRENCE DE FLORENCE DURRET Astrophysicienne IAP
SUR
« LES
AMAS DE GALAXIES»
Entrée libre mais
réservation obligatoire.
(Vigipirate) À partir du 11 Novembre 2017
Bon ciel à tous
Jean Pierre
Martin Président
de la commission de cosmologie de la SAF
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