Un neutrino est une particule élémentaire qui ressemble beaucoup à un électron, mais qui n'a pas de charge électrique. Il a une très petite masse, qui peut même être nulle. La vitesse du neutrino dépend également de la masse. La différence entre le temps d'arrivée de la particule et de la lumière est de 0,0006 % (± 0,0012 %). En 2011, lors de l'expérience OPERA, il a été constaté que la vitesse des neutrinos dépasse la vitesse de la lumière, mais une expérience indépendante n'a pas confirmé cela.
La particule insaisissable
C'est l'une des particules les plus courantes dans l'univers. Comme il interagit très peu avec la matière, il est incroyablement difficile à détecter. Les électrons et les neutrinos ne participent pas aux interactions nucléaires fortes, mais participent également aux interactions faibles. Les particules possédant ces propriétés sont appelées leptons. Outre l'électron (et son antiparticule, le positon), les leptons chargés comprennent le muon (200 masses d'électrons), le tau (3500 masses d'électrons) et leurs antiparticules. Ils sont appelés ainsi: neutrinos de l'électron, du muon et du tau. Ils ont chacun un composant anti-matériau appelé antineutrino.
Muon et tau, comme un électron, sont accompagnés de particules. Ce sont les neutrinos du muon et du tau. Les trois types de particules sont différents les uns des autres. Par exemple, lorsque des neutrinos muoniques interagissent avec une cible, ils produisent toujours des muons, jamais des tau ou des électrons. Dans l'interaction des particules, bien que des électrons et des électrons-neutrinos puissent être créés et détruits, leur somme reste inchangée. Ce fait conduit à la division des leptons en trois types, chacun ayant un lepton chargé et un neutrino qui l'accompagne.
Des détecteurs très grands et extrêmement sensibles sont nécessaires pour détecter cette particule. En règle générale, les neutrinos de basse énergie parcourent de nombreuses années-lumière avant d'interagir avec la matière. Par conséquent, toutes les expériences au sol avec eux reposent sur la mesure de leur petite fraction en interaction avec des enregistreurs de taille raisonnable. Par exemple, à l'Observatoire de neutrinos de Sudbury, contenant 1 000 tonnes d'eau lourde, environ 1 012 neutrinos solaires par seconde traversent le détecteur. Et seulement 30 par jour sont trouvés.
Historique des découvertes
Wolfgang Pauli a postulé pour la première fois l'existence d'une particule en 1930. Un problème s'est posé à l'époque car il semblait que l'énergie et le moment angulaire n'étaient pas conservés dans la désintégration bêta. Mais Pauli a noté que si une particule de neutrino neutre sans interaction est émise, alors la loi de conservation de l'énergie sera observée. Le physicien italien Enrico Fermi a développé la théorie de la désintégration bêta en 1934 et a donné son nom à la particule.
Malgré toutes les prédictions, pendant 20 ans, les neutrinos n'ont pas pu être détectés expérimentalement en raison de leur faible interaction avec la matière. Comme les particules ne sont pas électriquementchargés, ils ne sont pas affectés par les forces électromagnétiques et, par conséquent, ils ne provoquent pas d'ionisation de la matière. De plus, ils ne réagissent avec la matière que par des interactions faibles de force négligeable. Par conséquent, ce sont les particules subatomiques les plus pénétrantes, capables de traverser un grand nombre d'atomes sans provoquer de réaction. Seulement 1 sur 10 milliards de ces particules, voyageant à travers la matière sur une distance égale au diamètre de la Terre, réagit avec un proton ou un neutron.
Enfin, en 1956, un groupe de physiciens américains dirigé par Frederick Reines annonce la découverte de l'électron-antineutrino. Dans ses expériences, les antineutrinos émis par un réacteur nucléaire ont interagi avec des protons pour former des neutrons et des positrons. Les signatures énergétiques uniques (et rares) de ces derniers sous-produits fournissent la preuve de l'existence de la particule.
La découverte de leptons muoniques chargés est devenue le point de départ de l'identification ultérieure du deuxième type de neutrino - le muon. Leur identification a été réalisée en 1962 sur la base des résultats d'une expérience dans un accélérateur de particules. Des neutrinos muoniques de haute énergie ont été produits par la désintégration des mésons pi et envoyés au détecteur de manière à ce que leurs réactions avec la matière puissent être étudiées. Bien qu'ils soient non réactifs, comme d'autres types de ces particules, il a été constaté que dans les rares occasions où ils réagissent avec des protons ou des neutrons, les neutrinos du muon forment des muons, mais jamais des électrons. En 1998, les physiciens américains Leon Lederman, Melvin Schwartz et Jack Steinbergera reçu le prix Nobel de physique pour l'identification du neutrino muonique.
Au milieu des années 1970, la physique des neutrinos a été reconstituée avec un autre type de leptons chargés - tau. Le neutrino tau et l'antineutrino tau se sont avérés être associés à ce troisième lepton chargé. En 2000, physiciens au Laboratoire national des accélérateurs. Enrico Fermi a rapporté la première preuve expérimentale de l'existence de ce type de particule.
Messe
Tous les types de neutrinos ont une masse bien inférieure à celle de leurs homologues chargés. Par exemple, des expériences montrent que la masse électron-neutrino doit être inférieure à 0,002 % de la masse de l'électron et que la somme des masses des trois espèces doit être inférieure à 0,48 eV. Pendant de nombreuses années, il a semblé que la masse d'une particule était nulle, bien qu'il n'y ait aucune preuve théorique convaincante expliquant pourquoi il devrait en être ainsi. Puis, en 2002, l'Observatoire de neutrinos de Sudbury a fourni la première preuve directe que les neutrinos électroniques émis par les réactions nucléaires dans le noyau du Soleil changent de type lorsqu'ils le traversent. De telles "oscillations" des neutrinos sont possibles si un ou plusieurs types de particules ont une petite masse. Leurs études sur l'interaction des rayons cosmiques dans l'atmosphère terrestre indiquent également la présence de masse, mais d'autres expériences sont nécessaires pour la déterminer avec plus de précision.
Sources
Les sources naturelles de neutrinos sont la désintégration radioactive des éléments dans les entrailles de la Terre, dans laquelleun flux important d'électrons-antineutrinos de basse énergie est émis. Les supernovae sont également un phénomène à prédominance de neutrinos, puisque seules ces particules peuvent pénétrer le matériau superdense produit dans une étoile qui s'effondre; seule une petite partie de l'énergie est convertie en lumière. Les calculs montrent qu'environ 2% de l'énergie du Soleil est l'énergie des neutrinos produits dans les réactions de fusion thermonucléaire. Il est probable que la majeure partie de la matière noire de l'univers soit constituée de neutrinos produits lors du Big Bang.
Problèmes de physique
Les domaines liés aux neutrinos et à l'astrophysique sont divers et se développent rapidement. Les questions actuelles qui attirent un grand nombre d'efforts expérimentaux et théoriques sont les suivantes:
- Quelles sont les masses des différents neutrinos ?
- Comment affectent-ils la cosmologie du Big Bang ?
- Est-ce qu'ils oscillent ?
- Les neutrinos d'un type peuvent-ils se transformer en un autre lorsqu'ils traversent la matière et l'espace ?
- Les neutrinos sont-ils fondamentalement différents de leurs antiparticules ?
- Comment les étoiles s'effondrent-elles et forment-elles des supernovae ?
- Quel est le rôle des neutrinos dans la cosmologie ?
L'un des problèmes de longue date qui suscite un intérêt particulier est le soi-disant problème des neutrinos solaires. Ce nom fait référence au fait qu'au cours de plusieurs expériences au sol menées au cours des 30 dernières années, moins de particules ont été systématiquement observées que nécessaire pour produire l'énergie émise par le soleil. Une de ses solutions possibles est l'oscillation, c'est-à-dire la transformation deneutrinos en muons ou en tau lors de leur voyage vers la Terre. Comme il est beaucoup plus difficile de mesurer les neutrinos muons ou tau de basse énergie, ce type de transformation pourrait expliquer pourquoi nous n'observons pas le nombre correct de particules sur Terre.
Quatrième prix Nobel
Le prix Nobel de physique 2015 a été décerné à Takaaki Kajita et Arthur McDonald pour leur découverte de la masse des neutrinos. Il s'agissait du quatrième prix de ce type lié à des mesures expérimentales de ces particules. Certains pourraient se demander pourquoi nous devrions tant nous soucier de quelque chose qui interagit à peine avec la matière ordinaire.
Le fait même que nous puissions détecter ces particules éphémères témoigne de l'ingéniosité humaine. Les règles de la mécanique quantique étant probabilistes, nous savons que même si presque tous les neutrinos traversent la Terre, certains d'entre eux vont interagir avec elle. Un détecteur assez grand pour détecter ça.
Le premier appareil de ce type a été construit dans les années 60 au fond d'une mine du Dakota du Sud. La mine était remplie de 400 000 litres de liquide de nettoyage. En moyenne, une particule de neutrino interagit chaque jour avec un atome de chlore, le transformant en argon. Incroyablement, Raymond Davis, qui était en charge du détecteur, a trouvé un moyen de détecter ces quelques atomes d'argon, et quatre décennies plus tard, en 2002, il a reçu le prix Nobel pour cette prouesse technique.
Nouvelle astronomie
Parce que les neutrinos interagissent si faiblement, ils peuvent parcourir de grandes distances. Ils nous donnent l'opportunité de visiter des endroits que nous n'aurions jamais vus autrement. Les neutrinos découverts par Davis ont été produits par des réactions nucléaires qui ont eu lieu au centre même du Soleil et n'ont pu s'échapper de cet endroit incroyablement dense et chaud que parce qu'ils interagissent à peine avec d'autres matières. Il est même possible de détecter un neutrino volant depuis le centre d'une étoile qui explose à plus de cent mille années-lumière de la Terre.
De plus, ces particules permettent d'observer l'univers à très petite échelle, bien plus petite que ce que peut étudier le Large Hadron Collider de Genève, qui a découvert le boson de Higgs. C'est pour cette raison que le comité Nobel a décidé d'attribuer le prix Nobel pour la découverte d'un autre type de neutrino.
Disparition mystérieuse
Lorsque Ray Davis a observé des neutrinos solaires, il n'a trouvé qu'un tiers du nombre attendu. La plupart des physiciens pensaient que la raison en était une mauvaise connaissance de l'astrophysique du Soleil: peut-être que les modèles de l'intérieur de l'étoile surestimaient le nombre de neutrinos qui y étaient produits. Pourtant, au fil des ans, alors même que les modèles solaires s'amélioraient, les pénuries persistaient. Les physiciens ont attiré l'attention sur une autre possibilité: le problème pourrait être lié à notre compréhension de ces particules. Selon la théorie alors en vigueur, ils n'avaient pas de masse. Mais certains physiciens ont soutenu que les particules avaient en fait une valeur infinitésimalemasse, et cette masse était la raison de leur pénurie.
Particule à trois faces
Selon la théorie des oscillations des neutrinos, il existe trois types différents de neutrinos dans la nature. Si une particule a une masse, alors lorsqu'elle se déplace, elle peut passer d'un type à un autre. Trois types - électron, muon et tau - lorsqu'ils interagissent avec la matière peuvent être convertis en la particule chargée correspondante (électron, muon ou lepton tau). "L'oscillation" se produit en raison de la mécanique quantique. Le type de neutrino n'est pas constant. Cela change avec le temps. Un neutrino, qui a commencé son existence en tant qu'électron, peut se transformer en muon, puis revenir. Ainsi, une particule formée au cœur du Soleil, en route vers la Terre, peut périodiquement se transformer en un neutrino muonique et inversement. Étant donné que le détecteur Davis ne pouvait détecter que des neutrinos électroniques capables de conduire à la transmutation nucléaire du chlore en argon, il semblait possible que les neutrinos manquants se soient transformés en d'autres types. (Il s'avère que les neutrinos oscillent à l'intérieur du Soleil, et non sur leur chemin vers la Terre.)
Expérience canadienne
La seule façon de tester cela était de construire un détecteur qui fonctionnait pour les trois types de neutrinos. Depuis les années 1990, Arthur McDonald de l'Université Queen's Ontario a dirigé l'équipe qui a fait cela dans une mine à Sudbury, en Ontario. L'installation contenait des tonnes d'eau lourde prêtées par le gouvernement canadien. L'eau lourde est une forme d'eau rare mais naturelle dans laquelle l'hydrogène, contenant un proton,remplacé par son isotope plus lourd, le deutérium, qui contient un proton et un neutron. Le gouvernement canadien a stocké de l'eau lourde parce qu'elle est utilisée comme liquide de refroidissement dans les réacteurs nucléaires. Les trois types de neutrinos pouvaient détruire le deutérium pour former un proton et un neutron, et les neutrons étaient ensuite comptés. Le détecteur a enregistré environ trois fois le nombre de particules par rapport à Davis - exactement le nombre prédit par les meilleurs modèles du Soleil. Cela suggérait que le neutrino électronique pouvait osciller dans ses autres types.
Expérience japonaise
À peu près au même moment, Takaaki Kajita de l'Université de Tokyo faisait une autre expérience remarquable. Un détecteur installé dans une mine au Japon a enregistré des neutrinos provenant non pas des entrailles du Soleil, mais de la haute atmosphère. Lorsque les protons des rayons cosmiques entrent en collision avec l'atmosphère, des gerbes d'autres particules se forment, notamment des neutrinos muoniques. Dans la mine, ils ont transformé des noyaux d'hydrogène en muons. Le détecteur Kajita pouvait voir des particules venant dans deux directions. Certains sont tombés d'en haut, venant de l'atmosphère, tandis que d'autres se sont déplacés d'en bas. Le nombre de particules était différent, ce qui indiquait leur nature différente - elles se trouvaient à des points différents de leurs cycles d'oscillation.
Révolution scientifique
C'est exotique et étonnant, mais pourquoi les oscillations et les masses de neutrinos attirent-elles autant l'attention ? La raison est simple. Dans le modèle standard de la physique des particules développé au cours des cinquante dernières années du XXe siècle,qui décrit correctement toutes les autres observations dans les accélérateurs et autres expériences, les neutrinos auraient dû être sans masse. La découverte de la masse des neutrinos suggère qu'il manque quelque chose. Le modèle standard n'est pas complet. Les éléments manquants n'ont pas encore été découverts, soit via le Large Hadron Collider, soit via une autre machine encore à créer.
