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.
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.
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).
Expérience basée sur la
désintégration radioactive béta du Tritium.
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.
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 :
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.
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. |
|
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.
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 :
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
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.
Bon ciel à tous
Jean Pierre
Martin Président
de la commission de cosmologie de la SAF
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