logoplanetastr67

 

Mise à jour 17 Juin 2020

CONFÉRENCE MENSUELLE DE LA SAF (à distance)

de Thierry LASSERRE, Astrophysicien, CEA IRFU
 « QUELQUES NOUVELLES DES NEUTRINOS. »

Organisée par la SAF

Par Téléconférence, due au confinement virus

Le Samedi 10 Juin 2020 à 15H00

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 se nomme :

lasserre-neutrinos-SAF2020.pdf, qui se trouve dans le dossier CONF-MENSUELLES-SAF/ saison 2019-2020.

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

 

 

La vidéo de la réunion est accessible ICI.

 

 

 

Les conditions étant particulières en cette période de circulation du virus COVID-19, je n’ai pas de photo de groupe bien entendu, ni de photo de notre conférencier.

De plus l’exposé étant très clair, je vous suggère de vous y reporter si vous avez des questions, je ne ferai qu’un CR simplifié.

 

Thierry Lasserre est physicien au DSM (Direction des Sciences de la Matière) au CEA Saclay, dans le service de la physique des particules.

L’ensemble fait partie d’une entité plus importante : l’IRFU, l’institut de recherches sur les lois fondamentales de l’Univers.

Il est aussi chercheur associé à l’APC (Astro Particules et Cosmologie).

Enfin c’est un de nos plus grands experts sur les neutrinos.

 

Il fait le point aujourd’hui sur les dernières découvertes concernant les neutrinos.

 

 

Une image contenant moniteur, télévision, écran, intérieur

Description générée automatiquement

Une image contenant capture d’écran

Description générée automatiquement

 

 

LES NEUTRINOS DANS LE MODÈLE STANDARD.

 

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

Sa détection est pour le moins…..difficile !

 

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 ! C’est comme cela que les premiers neutrinos ont été détectés.

 

 

Une image contenant dessin, signe

Description générée automatiquement

En fait il faut 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.

 

Les neutrinos peuvent changer spontanément de saveur au cours de leur voyage (oscillation), comme on le voit sur cette slide.

En fait le neutrino a plusieurs états (saveurs) statistiques suivant sa position le long du trajet.

 

 

 

 

 

Longtemps on a pensé que les neutrinos étaient sans masse,

 

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)!

Sur la représentation ci-contre on voit les limites en masse des différents neutrinos.

Les neutrinos électroniques, muoniques et tauiques sont représentés en rouge, les quarks up, charme et top en bleu, les quarks down, strange et bottom en rouge.

Toute masse comme il est d’usage dans le domaine des particules exprimées en multiples d’eV.

Rappelons qu’un proton = 1,6 10-27 kg soit 938 Mev.

 

 

 

 

COMMENT MESURER LA MASSE DES NEUTRINOS ?

 

Deux méthodes :

 

·         Cosmologique, observation de l’Univers. Par exemple ce sera l’un des buts de la mission Euclid.

·         Désintégration béta, mesure en laboratoire. C’est cette expérience qui nous intéresse pour la suite.

 

 

L’expérience KATRIN.

 

Acronyme de Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment, c’est une collaboration internationale qui comprend de nombreux laboratoires.

 

Elle devrait permettre de mesurer la masse du neutrino avec une sensibilité de l’ordre de 10-37 kg, soit bien en dessous que le meV (milli eV).

 

 

Une image contenant horloge, dessin

Description générée automatiquement

Expérience basée sur la désintégration radioactive béta du Tritium.

 

 

 

Une image contenant texte, carte

Description générée automatiquement

Si le neutrino n’avait pas de masse, le spectre mesuré de la désintégration irait jusqu’au bout (courbe pointillée), mais la présence d’un neutrino (électronique) massique (même faible) « mange » cette extrémité du spectre, et c’est cette information qui nous permet de donner une limite supérieure de sa masse au repos.

 

Comme on le voit (clic sur l’image), on est dans le domaine des très faibles énergies (eV) et la précision doit donc être bien meilleure (meV).

Comme le signale Th Lasserre, il n’y a que 10-13 des désintégrations dans le dernier électron volt.

 

 

 

 

 

 

Comment réalise-ton cette expérience ?

 

Il faut une source de Tritium (émetteur béta) : 1011 Bq soit 50 µg.

 

Il faut un détecteur, le spectromètre, il doit être immense (70 m de long) pour pouvoir détecter le plus de particules.

 

Une image contenant texte, carte

Description générée automatiquement

Vue d'ensemble de l'installation KATRIN de 70 m de long avec ses principaux composants, de gauche à droite

 

Source de tritium gazeux,

 

Section de pompage,

 

Spectromètres électrostatiques et

 

Détecteur d’électrons.

 

(Crédit KIT)

 

 

 

 

 

 

 

 

Extrait d’une publication sur Katrin du CEA :

 

La mesure de KATRIN utilise un principe fondamental connu depuis longtemps dans les études cinématiques directes de la masse de neutrinos : dans le processus de désintégration bêta du tritium, l'électron et son partenaire neutre non détecté, le neutrino (électron), partagent statistiquement l'énergie disponible de 18,6 keV. Dans des cas extrêmement rares, l'électron obtient effectivement toute l'énergie de désintégration tandis que le neutrino n'a pratiquement plus d'énergie, la quantité minimale étant – d’après Einstein - sa masse au repos E = mc². C'est cette minuscule distorsion spectrale due à la masse non nulle de neutrinos que l'équipe KATRIN recherchait dans un ensemble de plus de 2 millions d'électrons collectés sur une gamme d’énergie de 90 eV autour de l’énergie maximum attendue pour les électrons.

La difficulté expérimentale vient de la statistique car seule une désintégration du tritium sur un milliard est intéressante pour mesurer la masse du neutrino. Afin d’accumuler un nombre d'événements et donc une statistique conséquente, l’expérience KATRIN utilise la source de Tritium la plus intense à disposition de la communauté scientifique. « La désintégration beta du tritium ainsi que la réponse de l’ensemble de l’instrument doivent être modélisés avec une précision inférieure au pourcent“ explique Thierry Lasserre : « Avec KATRIN la mesure directe de la masse des neutrinos est entrée dans le domaine de la physique de haute précision ».

 

 

Je n’ai pas la vidéo présentée lors de cette conférence en YouTube, donc je ne peux pas la mettre dans ce compte rendu, je l’ai en mp4 dans mon PC, ceux qui sont intéressés peuvent me la demander.

Par contre en voici une autre plus longue et plus complète :

 

https://youtu.be/N4i3mVEZV30

 

 

 

On peut se rendre sur le site de KATRIN pour plus d’informations.

 

Pour mettre en perspective : les premières idées pour l’expérience KATRIN datent de 2001, la conception de 2004, la mise en route de 2017 et les premières mesures de 2019 !

 

LE PREMIER RUN (LE PREMIER RÉSULTAT), BASÉ SUR 522 HEURES DE FONCTIONNEMENT.

 

Extrait d’un document Katrin :

 

Au printemps 2019, l'équipe de 150 personnes a réalisé sa première campagne de mesure. À cette fin, un gaz de tritium moléculaire a circulé pendant quatre semaines engendrant 25 milliards d'électrons par seconde dans la source.

Pour cette analyse les équipes de KATRIN ont recherché l’empreinte d’un neutrino massif à partir d’un spectre regroupant plus de 2 millions d'électrons, triés sur le volet grâce au gigantesque spectromètre électrostatique adjacent à la source.

Comme à l'accoutumée dans les expériences de précision contemporaines, des informations vitales nécessaires pour finaliser l'analyse étaient volontairement dissimulées jusqu’au dernier moment. Pour coordonner leurs dernières étapes, le groupe d’analyse, coordonné par Thierry Lasserre (CEA-Irfu), s’est réuni cet été pour un atelier d'une semaine au KIT.

"Vers la fin de la soirée du 18 juillet, le traitement des incertitudes systématiques fut verrouillé : les dernières informations nécessaires à l'analyse finale de l'ensemble des données pouvaient enfin être dévoilées ! Après les dernières heures de calcul, l’analyse n’a pas mené à la mesure d’une masse significative du neutrino."

Ces premiers résultats réduisent l'échelle de masse absolue des neutrinos à une valeur inférieure à 1.1 électron-volt (eV).

Ils ont été présentés le 13 Septembre lors de la conférence TAUP 2019 à Toyama (Japon) et soumis à une revue scientifique (Phys Rev Letters) pour publication.

 

 

 

 

Une image contenant capture d’écran

Description générée automatiquement

En fait on mesure l’énergie de l’électron émis dans la désintégration.

 

Spectre d'énergie électronique superposé au modèle attendu.

 

(crédit KATRIN Collaboration)

 

Le premier run a lieu en 2019.

Une image contenant capture d’écran

Description générée automatiquement

Spectre en énergie de l’électron menant à la détermination de la masse de l’électron électronique.

 

Masse de l’ordre de 1 eV !!!

 

Le signe – provient du fait que la masse étant très faible et la barre d’erreur du même ordre de grandeur, le résultat du calcul donne une valeur négative. Il ne faut pas s’en formaliser.

 

 

 

 

Donc on peut donner une limite supérieure à la masse du neutrino électronique de : 1,1 eV

 

 

 

À LA POURSUITE DES NEUTRINOS DU BIG BANG.

 

 

Comme il existe un fond diffus micro-ondes cosmologique (le CMB émis à 380.000 ans après le BB température 3000 K), il existe aussi un fond diffus cosmologique de neutrinos (CNB) émis 1 seconde (température de l’ordre de 10 milliards de K) après le BB.

 

Les neutrinos du BB sont peu énergétiques à cause du redshit lié à l’expansion de l’Univers.

Le rayonnement s’est refroidi, tout comme le CMB. Les neutrinos ont une température de 1.9K. Cela correspond à l’échelle du meV (milli eV).

Étudier ce fond de neutrinos, nous permettrait d’accéder à cet univers primordial.

Il y aurait approx 300 à 400 neutrinos fossiles par cm3 dans l’Univers.

 

Comment pourrait-on les détecter ?

En fait, la capture par le Tritium de neutrinos cosmologiques, permettrait la détection de ces neutrinos primitifs.

 

Mais il faudrait beaucoup de Tritium (approx 10 à 100 g) alors que KATRIN n’en a que 50 micro-grammes.

 

Ce serait l’objet d’un nouveau projet qui pourrait être mené, l’expérience Ptolemy.

 

Ptolemy est l’acronyme en anglais de : Pon Tecorvo Observatory for Light Early-universe Massive-neutrino Yield, il y a une autre alternative : Princeton Tritium Obervatory for Light Early-universe Massive-neutrino Yield.

 

On espère beaucoup de cette expérience.

 

 

 

LES NEUTRINOS STÉRILES ET LA MATIÈRE NOIRE.

 

 

Une image contenant table

Description générée automatiquement

Le modèle standard prévoit la possibilité d’existence d’une autre forme de neutrinos, le neutrino stérile.

 

Il est baptisé stérile car non soumis à la force faible et n’a aucune interaction avec la matière.

 

 

Sa carte d’identité se trouve ci-après :

 

 

 

 

 

 

 

 

Une image contenant capture d’écran

Description générée automatiquement

 

 

 

Sa masse serait faible, de l’ordre du keV.

 

Ils pourraient expliquer le mystère de la matière noire.

 

L’effet de ces neutrinos sur le spectre des électrons est infime et très difficile à détecter, alors….

 

Des expériences avec Katrin pourraient être adaptées et menées à partir de 2025 en utilisant un nouveau détecteur.

 

Donc, à suivre !

 

 

ASYMÉTRIE MATIÈRE-ANTIMATIÈRE.

 

Encore plus hypothétique, il pourrait exister une nouvelle catégorie de neutrinos (la cinquième), un neutrino stérile de forte masse !

 

 

Ils pourraient avoir été à l’origine de l’asymétrie originelle matière-antimatière (heureusement pour nous sinon nous ne serions pas là !).

 

Cette hypothèse a donné naissance à un « nouveau » modèle standard, le NuMSM pour neutrino minimal standard model, où à chaque neutrino est associé un neutrino stérile, N1, N2 et N3.

N1 serait le neutrino stérile de l’ordre du keV expliquant la matière noire. N2 et N3, beaucoup plus lourds (GeV) expliqueraient la leptogénèse, soit, la formation des leptons.

 

Crédit Univ de Zurich.

 

 

 

 

 

On se pose toujours la question de savoir si les neutrinos sont des particules de Majorana (égale à son antiparticule) ?

 

 

Un élément de réponse est peut-être donné par l’expérience T2K.

 

Je reprends un texte écrit précédemment dans mes astronews :

 

Aurait-on enfin une piste concernant le fait que l’antimatière ait disparu ?

En effet, à l’origine, il y aurait eu autant de matière que d’antimatière et dans un monde parfaitement symétrique, toutes ces particules auraient dû s’annihiler exactement.

C’est la symétrie que l’on appelle CP (Charge- Parité) qui correspond à ce phénomène.

 

Donc, en principe, nous n’existerions pas et l’Univers serait plongé dans un énorme bain de photons.

Or nous sommes là, c’est que quelque chose s’est « mal » passé (pas pour nous bien sûr !).

C’est un des plus grands mystères de la physique actuelle.

 

Il y a eu à un moment ce que l’on appelle une violation de symétrie CP.

C’est cette violation qui a permis à notre monde d’exister.

 

Les physiciens ont mis au point un modèle appelé Modèle Standard de la Physique des Particules qui représente ce que l’on sait aujourd’hui et qui ne tient pas compte de cette violation CP.

 

Depuis de nombreuses décennies, les physiciens essaient de comprendre d’où peut venir une telle dissymétrie.

 

Depuis quelques années on est sur la piste de cette étrange particule qu’est le neutrino.

 

 

À cet effet les scientifiques Japonais ont monté une expérience, l’expérience T2K (pour Tokai To Kamioka); où des neutrinos (muoniques) et anti neutrinos (muoniques) sont produits dans l’accélérateur J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex) situé à Tokai au Nord de Tokyo sur le Pacifique, et sont envoyés 295km plus loin au grand détecteur Super Kamiokande.

Pendant le trajet, les neutrinos changent de « saveur », ils deviennent électroniques.

 

Lors de cette expérience on s’intéresse justement à l’oscillation entre neutrinos et anti neutrinos.

 

 

 

Il semble bien qu’à partir des premières années de données, il y ait une différence de comportement, donc une asymétrie entre ces deux types de particules. Les neutrinos oscilleraient plus vite que les antineutrinos avec un indice de confiance de 90% pour le moment.

C’est cette valeur de 90% qui doit être améliorée dans les prochaines années afin d’atteindre 99,7% (correspondant à 3 sigmas) qui officialiserait effectivement cette violation de symétrie.

 

Il y aurait donc bien une physique au-delà du modèle standard !

 

 

Illustration : un électron-neutrino observé au Kamiokande. Crédit: Kavli IMPU

 

 

 

 

 

 

Les premiers résultats de T2K ont été publiés dans Nature.

 

 

 

CONCLUSION.

 

Et Thierry Lasserre de conclure cette superbe présentation :

 

·        La physique des neutrinos est un domaine très actif. Ce sera sans doute l’un des portails pour dépasser le Modèle Standard actuel.

·        Présentation de la première mesure de la masse du neutrino par KATRIN (néanmoins la mesure finale pourrait venir de la cosmologie…)

·        La mise en évidence de neutrinos stériles serait assurément une découverte énorme qui impacterait notre vision de l’Univers

·        La leptogénèse est un mécanisme potentiel pour expliquer l’asymétrie matière-antimatière. Premières contraintes sur les neutrinos ‘légers’ par l’expérience T2K

 

 

 

 

 

POUR ALLER PLUS LOIN :

 

 

Homing in on the Neutrino Mass

 

New results for the mass of neutrinos

 

KATRIN contraint la masse du neutrino par méthode cinématique

 

Recherche de neutrinos lourds avec l’expérience T2K, thèse de M Lamoureux 2018

 

Nouvelle physique : la masse des neutrinos est mieux déterminée avec Katrin par Futura Sciences

 

The KATRIN experiment direct ν−mass measurement with sub-eV sensitivity

 

An improved upper limit on the neutrino mass from a direct kinematic method by KATRIN

 

From Karlsruhe Institute of Technology: “New Results for the Mass of Neutrinos”

 

Neutrinos, enfin on connait une limite supérieure de sa masse.

 

Neutrino physics with the PTOLEMY project: active neutrino properties and the light sterile case

 

PTOLEMY: A Method for Thermal Relic Detection of Massive Neutrinos and Directional Detection of MeV Dark Matter

 

Neutrino Physics with the PTOLEMY project

 

Peut-on voir les neutrinos du Big Bang ?

 

Oscillating Neutrinos : CR conf Prix Nobel de Physique 2015 à la Sorbonne du 6 Avril 2016

 

Dernières nouvelles de l’Univers : CR École Chalonge du 26 Novembre 2015

 

La matière noire et le neutrino stérile par Th Lasserre du CEA dans le cadre de l'école Chalonge

 

L'histoire des neutrinos par l'IN2P3, à lire absolument.

 

Le neutrino, une particule fantôme, conférence Nepal du CNRS.

 

Pontecorvo-Majorana-neutrinos : CR de la conf d’E. Klein du 5 Sept 2018

 

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

 

Antimatière : On comprend presque pourquoi elle a disparu

 

Les neutrinos donnent un indice sur le mystère de l'asymétrie matière-antimatière par leurs oscillations du Dr Éric Simon.

 

Où est passée l’antimatière de l’Univers ? La piste des neutrinos

 

Recent Results from T2K and Future Prospects Konosuke Iwamoto (University of Rochester)

 

We’re one step closer to knowing why there’s more matter than antimatter in the universe

 

Evidence mounts that neutrinos are the key to the universe's existence de Phys.org

 

Combined Analysis of Neutrino and Antineutrino Oscillations at T2K

 

T2K Experiment: A Step Towards Solving the Mystery of the Missing Antimatter

 

 

 

En espérant que vous avez apprécié cette conférence même sans présence physique.

 

 

 

 

 

PROCHAINES CONFÉRENCES MENSUELLES :

 

Elles devraient reprendre à la rentrée au CNAM le deuxième mercredi du mois (sauf jour férié) à 19H amphi Grégoire

Nous allons aussi essayer de transmettre en direct sur YouTube les conférences.

Je travaille sur le programme de rentrée, déjà on peut annoncer :

 

9 Septembre ; Point sur la situation avant la reprise. Conf de JP Martin sur les stations spatiales, passées, présentes et futures

14 Octobre ; Les Chinois et la Lune par Philippe Coué

4 Novembre (le 11 nov est férié!) ;

9 Décembre ;

13 Janvier 2021 ;

10 Février ;

10 Mars ;

14 Avril ;

12 Mai et

9 Juin.

 

 Entrée libre mais inscription à partir du 9 Aout sur le site habituel.

 

Bon ciel à tous

 

 

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

www.planetastronomy.com

Abonnez-vous gratuitement aux astronews du site en envoyant votre nom et e-mail.