NEUTRINOS, LES MESSAGERS DE L'INVISIBLE - Electre NG

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9 782759 823796

Mille milliards de neutrinos traversent chaque seconde ma main sans que je n’en ressente le moindre effet, et cela de jour comme de nuit. Ils proviennent du Soleil et l’épaisseur de la Terre ne peut pas les arrêter. Sans charge électrique et de masse quasi nulle, ils possèdent des propriétés très spéciales qui en font les plus fascinantes des particules élémentaires. Malgré leur comportement quasi fantomatique en raison de leurs très faibles interactions, les neutrinos jouent un rôle majeur en physique des particules, en astrophysique et en cosmologie.

Ce livre relate l’histoire des neutrinos, depuis leur prédiction théorique par W. Pauli en 1930 jusqu’aux expériences les plus récentes de physique des particules. Il décrit les diverses sources de neutrinos : Soleil, Terre, accélérateurs, réacteurs nucléaires, supernovae… Des études s’étendant sur des dizaines d’années ont accumulé un ensemble déjà considérable de connaissances, certaines encore déroutantes et mystérieuses.

Enfin, l’ouvrage met l’accent sur les nouvelles expériences en cours, encore plus précises, qui nous donneront peut-être une intuition sur les clés des grandes énigmes de la physique contemporaine : où est passée l’antimatière ? d’où provient l’énergie sombre ? ou encore, qu’est-ce que l’énergie noire qui cause l’accélération de l’Univers ?

François Vannucci est professeur émérite au laboratoire de physique nucléaire et des hautes énergies de l’université de Paris. Il a participé à des expériences sur les neutrinos au CERN et à Brookhaven.

Il a écrit plusieurs ouvrages de vulgarisation et une pièce de théâtre sur ces intrigantes particules.

La collection « UNE INTRODUCTION À... » se propose de faire connaître à un large public les avancées les plus récentes de la science. Les ouvrages sont rédigés sous une forme simple et pédagogique par les meilleurs experts français.

François Vannucci

NEUTRINOS, LES MESSAGERS DE L’INVISIBLE

NEUTRINOS, LES MESSAGERS

DE L’INVISIBLE

Création graphique : Béatrice Couëdel

Isbn : 978-2-7598-2379-6

24 €

^Fr François Vannucci

ançoi s V annucci NEUTRINOS, LES MESSAGERS DE L ’INVISIBLE

www.edpsciences.org

9782759823796-COUV_ Neutrinos.indd 1

9782759823796-COUV_ Neutrinos.indd 1 01/10/2021 15:4301/10/2021 15:43

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Mille milliards de neutrinos traversent chaque seconde ma main sans que je n’en ressente le moindre effet, et cela de jour comme de nuit. Ils proviennent du Soleil et l’épaisseur de la Terre ne peut pas les arrêter. Sans charge électrique et de masse quasi nulle, ils possèdent des propriétés très spéciales qui en font les plus fascinantes des particules élémentaires. Malgré leur comportement quasi fantomatique en raison de leurs très faibles interactions, les neutrinos jouent un rôle majeur en physique des particules, en astrophysique et en cosmologie.

Ce livre relate l’histoire des neutrinos, depuis leur prédiction théorique par W. Pauli en 1930 jusqu’aux expériences les plus récentes de physique des particules. Il décrit les diverses sources de neutrinos : Soleil, Terre, accélérateurs, réacteurs nucléaires, supernovae… Des études s’étendant sur des dizaines d’années ont accumulé un ensemble déjà considérable de connaissances, certaines encore déroutantes et mystérieuses.

Enfin, l’ouvrage met l’accent sur les nouvelles expériences en cours, encore plus précises, qui nous donneront peut-être une intuition sur les clés des grandes énigmes de la physique contemporaine : où est passée l’antimatière ? d’où provient l’énergie sombre ? ou encore, qu’est-ce que l’énergie noire qui cause l’accélération de l’Univers ?

François Vannucci est professeur émérite au laboratoire de physique nucléaire et des hautes énergies de l’université de Paris. Il a participé à des expériences sur les neutrinos au CERN et à Brookhaven.

Il a écrit plusieurs ouvrages de vulgarisation et une pièce de théâtre sur ces intrigantes particules.

La collection « UNE INTRODUCTION À... » se propose de faire connaître à un large public les avancées les plus récentes de la science. Les ouvrages sont rédigés sous une forme simple et pédagogique par les meilleurs experts français.

François Vannucci

NEUTRINOS, LES MESSAGERS DE L’INVISIBLE

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Création graphique : Béatrice Couëdel

Isbn : 978-2-7598-2379-6

François Vannucci

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“title” — 2021/8/28 — 19:00 — page 1 — #1

Collection « Une Introduction à »

dirigée par Michèle Leduc et Michel Le Bellac

Neutrinos

Les messagers de l’invisible

François Vannucci

EDP Sciences 17, avenue du Hoggar

Parc d‘activités de Courtaboeuf, BP 112 91944 Les Ulis Cedex A, France

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“Copyright” — 2021/9/29 — 16:16 — page II — #1

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Thérèse Encrenaz, James Lequeux et Fabienne Casoli Quantique : au-delà de l’étrange

Philip Ball, traduit par Michel Le Bellac Un siècle de gravitation

Ron Cowen, traduit par Michel Le Bellac

Atomes, ions, molécules ultrafroids et technologies quantiques Robin Kaiser, Michèle Leduc et Hélène Perrin

Imprimé en France

ISBN (papier): 978-2-7598-2379-6 –ISBN (ebook): 978-2-7598-2619-3

Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés réservés pour tous pays. Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans le présent ouvrage, faite sans l’autorisation de l’éditeur est illicite et constitue une contre- façon. Seules sont autorisées, d’une part, les reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective, et d’autre part, les courtes citations justifiées par le caractère scientifique ou d’information de l’œuvre dans laquelle elles sont incorporées (art. L. 122-4, L. 122-5 et L. 335-2 du Code de la propriété intellectuelle). Des photocopies payantes peuvent être réalisées avec l’accord de l’éditeur. S’adresser au : Centre français d’exploitation du droit de copie, 3, rue Hautefeuille, 75006 Paris. Tél. : 01 43 26 95 35.

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Avant-propos

Un nouveau livre sur les neutrinos, pourquoi faire ?

Grâce à leurs propriétés très spéciales, les neutrinos sont les plus fascinantes des particules élémentaires. Donnons quelques justifications à cette affirmation.

- Mille milliards de neutrinos venant du Soleil arrosent ma main chaque seconde sans le moindre effet, et ceci aussi bien de jour que de nuit. En effet, durant la nuit, presque tous les neutrinos traversent toute l’épaisseur de la Terre sans être arrêtés : pour eux, notre planète est transparente. Ceci vient de leur très faible probabilité d’interaction avec la matière, les neutrinos sont des particules fantômes. Cette propriété permet de comprendre pourquoi ils révèlent les détails de phénomènes très dissimulés : ils participent au fonctionnement du Soleil, ils espionnent l’intérieur des réacteurs nucléaires, ils vérifient les prédic- tions concernant les implosions de supernovae, ils offrent la possibilité, pour le moment hors de portée, de révéler une image de l’Univers une seconde après sa naissance.

- Par ailleurs les neutrinos ne sont pas éternels. Non qu’ils se désintègrent, quoiqu’on ne sache pas exactement ce qu’il en est, mais ils donnent lieu à un phénomène encore plus troublant : l’oscillation. Il existe trois types de neutrinos bien distincts, souvent appelés saveurs, et ces types présentent une probabilité de se mélanger de telle sorte que leur évolution dans le temps amène à une conversion spontanée d’un premier type en un différent. Cela conduit à un pro- blème existentiel sur leur nature ; le neutrino est tantôt d’un type, tantôt d’un autre, ce qui n’est connu qu’au moment de la détection, et ce phénomène d’oscillations met en scène les aspects les plus subtils de la mécanique quantique.

- Reliques du Big Bang, ils sont infiniment plus nombreux que les autres particules de matière. Dans l’Univers, il existe plusieurs milliards de fois plus

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de neutrinos que de protons. Leurs masses individuelles sont infinitésimales mais leur nombre tellement surabondant fait que la somme de toutes les masses des neutrinos existant dans l’espace avoisine celle de toutes les étoiles peuplant l’ensemble des galaxies.

Toutes ces connaissances déroutantes sont l’aboutissement de longues années d’études qui se sont poursuivies sur quelques décennies de manière très active. Cet ouvrage racontera comment les grandes étapes de cette recherche se sont déroulées. Mais il mettra aussi l’accent sur les questions encore en suspens car, malgré les progrès remarquables déjà accomplis, des problèmes subsistent que de nouvelles expériences en préparation tenteront de résoudre.

La liste des grandes questions toujours ouvertes sera examinée, et nous com- prendrons que les neutrinos détiennent peut-être les clés de grandes énigmes qui agitent la physique contemporaine.

- Où est passée l’antimatière ? Les neutrinos peuvent donner la réponse en mettant en évidence une différence de comportement entre neutrinos et antineutrinos. Dans quelques années, le problème devrait être clarifié, grâce à de gigantesques expériences qui sont en chantier.

- De quoi est formée la matière sombre de l’Univers qui ne transparaît que par effet gravitationnel ? De nouveaux types de neutrinos de masse relativement élevée apporteraient une explication naturelle convaincante.

- Qu’est-ce que l’énergie noire, cause de l’accélération observée dans l’expan- sion universelle ? Des neutrinos dotés d’une masse dépendant de leur densité de présence ont été proposés. Cela reste une spéculation très hardie.

On discutera donc l’apport des neutrinos dans ces énigmes majeures que pose la physique d’aujourd’hui et on décrira les besoins expérimentaux néces- saires à mettre en œuvre pour aller de l’avant. On insistera en particulier sur l’idée de neutrinos «stériles», c’est-à-dire de neutrinos d’un type complètement nouveau, largement médiatisé récemment. Il y a de bonnes raisons de croire à leur existence. . . et aussi de moins bonnes. Les neutrinos stériles ont été revendi- qués pour élucider certaines anomalies expérimentales qui restent inexpliquées et qui pourraient provenir de simples erreurs d’analyse ou d’interprétation. La physique des neutrinos a toujours vécu avec quelques persistantes anomalies qui peuvent se résoudre en imaginant davantage de types de neutrinos. Il existe aussi une raison forte de les envisager puisque de nouveaux états de neutrinos deviennent nécessaires si on en croit la théorie qui donne un cadre pour comprendre l’apparition des toutes petites masses mesurées depuis peu que possèdent les neutrinos connus. L’hypothèse de nouveaux types de neutrinos, prédits dans certains modèles, indiquerait une voie originale vers la Nouvelle Physique si convoitée par les physiciens qui veulent sonder le monde au-delà du Modèle Standard qui rend compte aujourd’hui avec une grande précision de la

IV Avant-propos

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physique de l’infiniment petit. Cela aiderait à baliser une direction de recherche à suivre dans le futur. On décrira l’effort entrepris dans ce but, et on donnera les limites déjà recueillies quant à la possible existence de ces objets supplémen- taires. Finalement, on esquissera les autres développements à envisager pour le futur.

Ce livre se veut un ouvrage à la portée du public éclairé intéressé par les dernières nouvelles de la physique la plus fondamentale, il s’adresse aussi aux étudiants aventureux qui souhaiteraient se lancer dans de telles recherches.

Par leurs propriétés fantomatiques, les neutrinos nourrissent le rêve. Avec eux, on touche du doigt l’invisible. Nulle autre particule n’aura inspiré des romans ou des poèmes, comme celui qu’écrivit John Updike, écrivain américain bien connu, en 1973 :

Neutrinos, they are very small

They have no charge and have no mass And do not interact at all. . .

Ce qu’on peut traduire par : Les neutrinos, ils sont tout petits Ils n’ont ni charge ni masse Et n’interagissent pas du tout. . .

Bien sûr, on sait aujourd’hui qu’ils ont une masse, mais si petite qu’un poète a bien le droit de la négliger ; c’est ce qu’on appelle la licence poétique. . .

Les neutrinos symbolisent l’archétype de la recherche fondamentale, celle où l’on ne produit que de la pure connaissance. Et il est toujours bon de faire le point sur l’ultime savoir en résumant jusqu’où est arrivée aujourd’hui l’intelligence humaine pour supputer ce qu’on espère encore apprendre dans le futur pas trop lointain.

Loin d’être un appauvrissement, l’adjonction à la chose visible de la chose invisible fait plus que de l’enrichir, elle lui donne un sens, elle la complète.

Paul Claudel Positions et propositions

NEUTRINOS LES MESSAGERS DE L’INVISIBLE V

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Table des matières

Avant-propos III

1 Un peu d’histoire 1

1.1 Le premier visiteur fantôme . . . 2

1.2 Mise en évidence du neutrino . . . 5

1.3 Le second type de neutrino . . . 8

1.4 Neutrinos et antineutrinos . . . 11

1.5 Et un, et deux, et trois neutrinos . . . 14

1.6 Le décompte des types de neutrinos . . . 15

2 Les neutrinos et le Modèle Standard des particules 19 2.1 Développement du Modèle Standard . . . 19

2.2 Les interactions dans le Modèle Standard . . . 22

2.3 L’interaction électrofaible . . . 24

2.4 L’interaction forte . . . 29

2.5 Le couronnement de la théorie . . . 31

2.6 Les interactions de neutrinos . . . 33

3 Les multiples sources de neutrinos 37 3.1 Les réacteurs nucléaires . . . 37

3.2 Les accélérateurs . . . 39

3.3 Le Soleil . . . 41

3.4 Les supernovae de type II . . . 43

3.5 L’atmosphère . . . 45

3.6 La Terre . . . 46

3.7 Des sources extragalactiques ? . . . 47

3.8 Le Big Bang . . . 48

4 Comment voit-on les neutrinos ? 51 4.1 Les premières détections de neutrinos . . . 52

4.2 Les chambres à bulles . . . 55

4.3 Les calorimètres électroniques . . . 57

(10)

4.4 Les détecteurs à effet Cerenkov . . . 61

4.5 Les dispositifs naturels géants . . . 65

4.6 Les chambres à projection temporelle . . . 70

4.7 Les émulsions . . . 72

4.8 Une interaction très différente . . . 74

5 La genèse des oscillations 77 5.1 Les détections solaires radiochimiques . . . 77

5.2 La contribution de SuperKamiokande . . . 79

5.3 L’observatoire SNO . . . 81

5.4 Les déficits solaires . . . 84

5.5 Le déficit des neutrinos atmosphériques . . . 86

5.6 Résumé des déficits de neutrinos . . . 89

6 Des neutrinos massifs, mais si peu 93 6.1 Les mesures directes de masses . . . 93

6.2 Phénoménologie des oscillations . . . 96

6.3 Le tir groupé des réacteurs nucléaires . . . 102

6.4 L’oscillation dans la matière . . . 104

6.5 Bilan des oscillations : la masse des neutrinos . . . 106

6.6 Neutrinos de Dirac et neutrinos de Majorana . . . 109

7 L’astrophysique des neutrinos 113 7.1 Les géoneutrinos . . . 114

7.2 Tomographie de la Terre en neutrinos . . . 116

7.3 Les supernovae . . . 117

7.4 Les neutrinos d’énergie extrême . . . 119

7.5 Vers de nouvelles techniques de détection . . . 121

8 Les neutrinos et l’Univers 123 8.1 Les neutrinos cosmologiques . . . 123

8.2 L’antimatière dans l’Univers . . . 125

8.3 Les expériences DUNE et HyperKamiokande . . . 128

8.4 La matière sombre ; froide, chaude ou tiède ? . . . 132

8.5 L’énergie sombre . . . 137

9 Pourquoi des neutrinos stériles ? 141 9.1 Les anomalies encore inexpliquées . . . 142

9.2 Les neutrinos stériles et la théorie . . . 145

9.3 Le modèle vMSM . . . 146

9.4 Une matrice de mélange étendue . . . 147

VIII Table des matières

(11)

9.5 Une recherche de neutrinos lourds . . . 148 9.6 Neutrinos lourds et masse manquante . . . 151

10 Le futur de la physique des neutrinos 155

10.1 Les progrès à espérer prochainement . . . 155 10.2 Les questions plus difficiles . . . 157

Bibliographie 161

Liste des figures 163

NEUTRINOS LES MESSAGERS DE L’INVISIBLE IX

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1

Un peu d’histoire

Les neutrinos sont des particules élémentaires. À ce titre, ils sont les parte- naires des électrons, protons et neutrons formant la matière ordinaire. Ils sont essentiels pour comprendre les interactions réciproques entre particules, pourtant leur contact avec notre monde est dérisoire. Pratiquement, ils interagissent infiniment peu avec le reste de la matière, ce sont des particules fantômes qui nous assaillent et nous traversent de toutes parts sans que nous en ressentions le moindre frémissement ; en conséquence, ils sont très difficiles à détecter et, plusieurs fois dans l’histoire, leur étude a donné lieu à des résultats douteux qualifiés d’anomalies.

Malgré tout, notre connaissance des neutrinos a fortement progressé depuis l’audacieuse hypothèse de leur existence proposée par le physicien Wolfgang Pauli, et ceci grâce à l’utilisation d’énormes dispositifs expérimentaux. On mesure aujourd’hui assez précisément leurs attributs. Des interactions de neutrinos ont été analysées à partir de sources très variées tant naturelles qu’artifi- cielles, ce qui a permis de progresser dans la compréhension du fonctionnement de ces sources aussi bien que des propriétés des neutrinos. On comprend pourquoi ces particules semblent vivre dans un monde parallèle, et le lancinant pro- blème de leur masse, resté mystérieux pendant des décennies, commence à être résolu de manière satisfaisante. La surprise vient du fait que les masses trouvées leur octroient un rôle primordial au niveau de l’Univers dans sa globalité.

Les neutrinos sont d’utiles outils pour comprendre le monde. Particules pratiquement indestructibles, ils permettent de capter une information directe venant de phénomènes très dissimulés. Ils révèlent les détails des processus intervenant au cœur même du Soleil, ils espionnent le combustible présent à l’intérieur des réacteurs nucléaires, ils sondent les entrailles de la Terre.

(14)

Mais cela a un prix car la détection de ces mystérieux objets relève souvent du tour de force.

La saga des neutrinos raconte une histoire qui parfois se déroule en paral- lèle avec celle des autres particules élémentaires. Pourtant, dans la poignée des constituants de la matière leur place est primordiale, ils sont l’un des ingrédients obligatoires pour comprendre la phénoménologie des particules et par consé- quent pour retracer l’évolution de notre Univers depuis son commencement.

N’étant sensibles qu’à une seule interaction parmi les quatre interactions fon- damentales connues, celle dite faible, ils sont un outil indispensable pour affiner les propriétés de cette dernière. Ils ne subissent ni l’interaction électromagné- tique ni l’interaction forte, quant à la gravitation, elle est toujours négligeable dans ce contexte.

La fréquentation quotidienne d’une particule, aussi discrète soit-elle, finit par entraîner une certaine familiarité, sinon une certaine tendresse. Pour ces raisons, une communauté fervente s’y attache. Pour marquer son originalité, elle demeure à l’écart des gros bataillons de physiciens des particules, et se réunit au cours de ses propres cycles de conférences. Cela tient peut-être au caractère encore fascinant d’une particule très spéciale qui ne se prive pas de réserver régulièrement des surprises. Son caractère fantomatique lui confère une place privilégiée indiscutable. Son invention fut «désespérée», selon les termes de Wolf- gang Pauli. La mise en évidence expérimentale du premier neutrino se révéla très délicate, l’existence d’un second type de neutrino signa une demi-surprise et les premiers craquements de la théorie des particules sous-jacente qu’on appelle communément le Modèle Standard viennent de ce secteur. De plus, le neutrino pourrait détenir le secret de la disparition de l’antimatière et cela donne un objec- tif très concret aux physiciens qui espèrent résoudre cette énigme dans la décen- nie à venir. C’est le prochain défi que s’est fixé la communauté.

1.1

Le premier visiteur fantôme

Jusqu’en 1930, il semblait que les trois objets élémentaires connus à l’époque, proton, neutron et électron, suffisaient pour expliquer toutes les manifestations de la matière puisqu’ils permettaient de reconstruire l’ensemble des éléments naturels, de l’hydrogène aux atomes lourds. Ils expliquaient toute la table des éléments chimiques dite de Mendeléiev par un simple ajustement du nombre de protons et neutrons à l’intérieur des noyaux atomiques, les électrons, de charge électrique opposée à celle du proton, orbitant autour du noyau. En fait, le neutron ne sera découvert qu’en 1932 par Chadwick, mais on anticipait déjà une sorte d’ersatz neutre composé d’un assemblage proton-électron.

2 Chapitre 1. Un peu d’histoire

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Nombre d’électrons

Énergie moyenne

FIGURE1.1. Spectre continu des électrons détectés dans une désintégrationβ. Le graphe montre la distribution des électrons émis en fonction de leur énergie. L’énergie moyenne est aussi indiquée.

Comme souvent en recherche, une apparente anomalie exigea alors de révi- ser ce point de vue simplificateur. L’indice venait de la physique nucléaire : de l’énergie semblait disparaître dans un phénomène de désintégrations appelé radioactivitéβ, au cours duquel un électron est spontanément émis par un échan- tillon de matière instable. Or l’énergie se conserve toujours, c’est une règle d’or de la physique. Potentielle ou cinétique, calorique et ici nucléaire, l’énergie se transforme sans se perdre.

Qu’indiquait cette désintégrationβ? L’énergie emportée par l’électron, seule particule détectée dans un tel processus, s’avérait variable, ce qui ne concor- dait pas avec une conservation d’énergie, au contraire de ce qui se passait dans les autres désintégrations radioactives de typesαetγoù les particules émises, noyau d’hélium ou photon respectivement, produisaient un spectre d’énergie en raies, c’est-à-dire de valeur bien fixée. La figure 1.1. montre le «spectre continu» mesuré dans une désintégration β. L’énergie de l’électron émis peut prendre toutes les valeurs comprises entre 0 et le maximum permis dans la réaction du fait des masses en présence. Dans les années 1920, pendant la période de flottement sur l’interprétation de ce résultat, Niels Bohr, le pape de la méca- nique quantique, alla même jusqu’à émettre l’idée que peut-être l’énergie n’était conservée que «en moyenne» dans un tel phénomène.

Le dilemme dura plusieurs années jusqu’à ce que Wolfgang Pauli (figure 1.2.), théoricien très imaginatif, suggère, dans une lettre restée fameuse datée de décembre 1930 qu’il envoya, par le truchement de Lise Meitner, à ses col- lègues « radioactifs » réunis à Tübingen pour le Congrès Solvay, l’hypothèse d’une nouvelle particule neutre, émise en même temps que l’électron et qui s’échappe après sa production sans laisser de trace. Ainsi, une partie de l’éner- gie disponible dans la réaction est accaparée par ce nouveau venu et semble donc disparaître. Plutôt que d’aller défendre son idée auprès de ses pairs, Pauli

NEUTRINOS LES MESSAGERS DE L’INVISIBLE 3

(16)

La lettre de Pauli

Zurich, le 4 décembre 1930

Chers Mesdames et Messieurs radioactifs,

Je vous prie d’écouter avec beaucoup de bienveillance le messager de cette lettre. Il vous dira que pour pallier la « mauvaise » statistique des noyaux N et Li-6 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 obéissant au principe d’exclusion, mais différentes des photons par ce qu’elles ne se meuvent pas à 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 de 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 est 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, et la gravité de la situation, due à la nature continue du spectre, est éclairée par une remarque de mon honoré prédécesseur, Monsieur Debye, qui me disait récemment à Bruxelles : « Oh ! Il vaut mieux ne pas y penser du tout, comme pour les nouveaux impôts ». Dorénavant on doit discuter sérieusement toute voie d’issue. Ainsi, cher peuple radioactif, examinez et jugez. Malheureu- sement je ne pourrai 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.

lui-même avait préféré assister à un bal qui devait avoir lieu dans son université de Zurich.

Non seulement Pauli donnait une explication au spectre continu, mais en même temps il rétablissait la conservation du moment angulaire qui était également violée dans la désintégration en l’absence du « neutron » proposé.

De nouveau, le neutron dont parle Pauli n’est pas celui qu’on connaît aujour- d’hui et qui ne sera découvert que deux ans plus tard. Postuler l’existence d’une nouvelle particule était à l’époque un acte téméraire. Ce n’était qu’une solution «invraisemblable» selon son promoteur. Aujourd’hui, les théoriciens ont moins de scrupules pour inventer d’hypothétiques objets, ils sont devenus beaucoup plus téméraires. Mais l’idée,a priorirévolutionnaire, expliquait si bien les

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FIGURE1.2. Wolfgang Pauli (1900-1958) Prix Nobel 1945 pour le principe d’exclusion des particules qui s’applique en mécanique quantique. © CERN under CC-BY-4.0.

résultats expérimentaux qu’elle fut rapidement acceptée. Dès 1933, Enrico Fermi (1901-1954), Prix Nobel 1938 pour ses études sur les neutrons lents, écrivit la théorie sous-jacente ; il développa la phénoménologie d’un nouveau type de force, l’interaction dite faible, longtemps appelée interaction de Fermi (1). C’est lui qui baptisa l’objet encore hypothétique « neutrino », ce qui signifie petit neutre en italien et qu’on symbolise par la lettre grecqueν.

Ainsi, l’interaction faible prenait toute sa place à côté des interactions forte et électromagnétique, sans oublier la gravitation qui reste hégémonique à grande échelle mais dérisoire au niveau de l’infiniment petit. Aucune nouvelle force ne sera découverte par la suite. Au contraire, le nombre de forces a diminué entre- temps puisque force électromagnétique et force faible constituent aujourd’hui deux facettes de la force unifiée dite électrofaible, et on évoque une grande unification qui associerait la force forte dans un schéma commun.

1.2

Mise en évidence du neutrino

Unique particule ne subissant que la nouvelle force faible, le neutrino est une particule aux propriétés exceptionnelles. Mais cette originalité amène à un corol- laire gênant : elle explique sa faible probabilité d’interaction et donc la diffi- culté de sa mise en évidence expérimentale. Heureusement pour les chercheurs, le neutrino n’est pas une particule absolument indétectable, sinon son existence serait demeurée une pure spéculation. Mais sa très improbable détection

(18)

FIGURE1.3. Premier détecteur de capture des neutrinos d’environ 1 m de haut avec ses capteurs de lumière espionnant un volume sensible composé de scintillateur liquide. Il fut installé auprès d’un réacteur nucléaire. © Los Alamos.

nécessite l’aide de sources très abondantes de neutrinos ainsi que l’utilisation de détecteurs très massifs, et cela explique pourquoi il fallut attendre un quart de siècle, jusqu’en 1956, pour détecter expérimentalement une poignée de ces nouveaux objets au voisinage du réacteur nucléaire de Savannah River, dans l’état de Caroline du Sud. Le premier détecteur de neutrinos construit pour l’occasion est montré sur la figure 1.3. Il était constitué d’un volume réduit faisant moins de 1 m³ empli d’un scintillateur liquide espionné par des tubes photomultipli- cateurs. En fait, le dispositif s’avéra trop petit et il fallut construire un détecteur dix fois plus gros, gigantesque pour l’époque, afin de mettre en évidence l’effet recherché. La technique utilisée sera détaillée dans le chapitre sur les méthodes de détection. Reines et Cowan (2) sont crédités de cette découverte.

Un réacteur, en particulier ceux que gère EdF pour la production d’électricité, se fonde sur la fission de l’uranium. La fission est un phénomène de rupture nucléaire au cours de laquelle un noyau très lourd se scinde en deux noyaux plus légers accompagnés de quelques neutrons. Les réactions en jeu conservent bien sûr le nombre total de nucléons (proton + neutron), mais les noyaux de sortie sont très divers et pour la plupart radioactifs libérant des neutrinos par désintégrationsβ, ce qu’on peut génériquement écrire :

X→X^′+_e+_ν

Pour un échantillon au repos, la production est isotrope c’est-à-dire uniforme dans toutes les directions, et l’énergie portée par les neutrinos est caractéristique des phénomènes nucléaires, elle couvre une région entre zéro et une dizaine de

(19)

Les unités d’énergie

En physique des particules les énergies se mesurent en eV (électron-Volt), 1 eV étant l’énergie qu’acquiert un électron dans une différence de potentiel de 1 V.

L’unité classique d’énergie utilisée en mécanique est le joule J, et la conversion donne :

1 eV = 1,6 10⁻¹⁹C.V (coulomb.volt)= 1,6 10⁻¹⁹J

C’est une énergie très faible, les photons visibles qui viennent du Soleil pos- sèdent des énergies autour de quelques eV. On emploie donc couramment des multiples de cette unité trop petite en physique des particules :

- les phénomènes électroniques se cantonnent dans la gamme des keV (kilo, 10³),

- les énergies nucléaires sont de l’ordre du MeV (Méga, 10⁶),

- aux accélérateurs, on atteint les GeV (Giga, 10⁹) et jusqu’aux TeV (Téra, 10¹²) dans le cas du collisionneur actuellement le plus puissant, le LHC en opération au CERN.

- dans le rayonnement cosmique, on a détecté des particules possédant jusqu’au-delà des EeV (Exa, 10¹⁸). C’est une énergie macroscopique qui approche le niveau du joule, mais le flux correspondant que nous recevons du ciel est ridiculement faible.

La relativité relie les énergies et les masses par la fameuse formule d’Einstein E = mc², et par commodité on a l’habitude de poser c = 1. En conséquence, les masses seront mesurées elles aussi en multiples d’eV. Ainsi l’électron possède une masse de 511 keV et le proton de 935 MeV.

MeV. Avant de poursuivre, définissons les énergies dont il sera toujours question ici ; l’encadré rappelle les unités utilisées dans le monde de l’infiniment petit.

Dans le second détecteur qu’ils installèrent auprès du réacteur de Savan- nah River, Reines et Cowan comptèrent environ trois événements par heure de prise de données, détectés sous forme d’une émission de lumière et répon- dant aux critères attendus. Ces événements étaient observés quand le réacteur était en opération, et s’ajoutaient au fond continu d’égale amplitude mesuré quand le réacteur était à l’arrêt. Il y a toujours beaucoup de sources parasites quand on recherche un phénomène rare, en particulier toutes les radioactivi- tés locales ambiantes donnent un fond constant, et les deux physiciens utili- sèrent une méthode marche/arrêt pour extraire le signal recherché au-dessus du bruit continu. Les résultats furent mis en doute pendant un certain temps par la communauté avant d’être acceptés, et il fallut, à nouveau, une longue attente pour que le comité Nobel reconnaisse finalement la découverte. Fred Reines

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(1918-1998) reçut seul le Prix Nobel en 1995 pour cette mise en évidence expé- rimentale du neutrino, Cowan étant décédé entre-temps.

1.3

Le second type de neutrino

Le neutrino discuté jusqu’ici est produit par désintégrations nucléaires β c’est-à-dire qu’il accompagne un électron. Dans les années 1950, les physiciens observèrent un nouveau problème d’énergie manquante dans des réactions entre particules. Parmi les rayons cosmiques, on avait identifié une particule abondamment produite, le méson π ou pion, qui se désintégrait en donnant un muonµet de l’énergie manquante dans le bilan énergétique. À son tour, le muon se désintègre en donnant un électron, et de l’énergie semblait à nouveau disparaître dans le processus. Bien sûr, il était naturel d’invoquer le neutrino comme responsable de la disparition d’énergie dans toutes ces transformations.

Ainsi la désintégration du pion pouvait s’écrire : π→µ+_ν

Mais la question était de savoir si un seul type de neutrino suffisait pour expliquer toutes ces fuites d’énergie ou s’il fallait en imaginer de plusieurs types. La réponse n’était pas évidente, les avis divergeaient, et il fallut trancher la question en faisant un test expérimental. Une expériencead hoc fut montée auprès d’un accélérateur construit au laboratoire de Brookhaven près de New York (3).

Pour la première fois, on copia la nature en construisant un faisceau de neutrinos à partir de mésons π produits par collisions de protons accélérés qui bombardent une cible de matière, puis en laissant ces mésons π artificiels se désintégrer comme au niveau des rayons cosmiques.

La figure 1.4. présente le dispositif. Ce qu’on note de particulièrement remar- quable est le blindage construit tout autour de l’appareillage de mesure propre- ment dit. En effet, le voisinage d’un accélérateur est peuplé de particules variées volant dans tous les sens. On trouve des protons n’ayant pas interagi, des pions ne s’étant pas désintégrés et surtout des muons produits en même temps que les neutrinos recherchés. Les muons, grands frères des électrons mais 200 fois plus massifs, ne subissent pas la force forte, celle qui lie les nucléons à l’intérieur du noyau, ils peuvent donc facilement traverser la matière. Ainsi pour repérer des interactions de neutrinos, il faut arrêter efficacement toutes les autres particules chargées qui interagissent beaucoup plus facilement et qui, à ce niveau, constituent une population parasite corrélée. Ceci est réalisé par un blindage épais formé de plusieurs mètres de béton protégeant précisément le détecteur sensible. Les rayons cosmiques d’habitude si nuisibles sont ici moins dangereux car un faisceau d’accélérateurs envoie ses neutrinos en salves très courtes, de

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3.6 Spectre global des neutrinos d’origines naturelle et artificielle 4.1 Schéma d’un tube photomultiplicateur

4.2 Spectre des neutrinos solaires mesuré par Borexino 4.3 Portrait d’une interaction de neutrino dans BEBC 4.4 Le détecteur CDHS

4.5 Événement « typique » enregistré par CDHS 4.6 Interaction d’unν_µdans NOMAD

4.7 Interaction d’unνedans NOMAD

4.8 Esquisse de l’émission de lumière Cerenkov

4.9 Le détecteur SuperKamiokande pendant la phase de remplissage

4.10 Distribution spatiale des neutrinos atmosphériques détectés dans Amanda 4.11 Le dispositif IceCube au Pôle Sud

4.12 Un événement extragalactique dans IceCube 4.13 Esquisse de Antarès en Méditerranée

4.14 Concept d’une chambre à projection temporelle

4.15 Événement d’interaction de neutrino dans MicroBoone 4.16 Interaction d’unντdans OPERA

5.1 Résultat de l’expérience Homestake

5.2 Reconstruction de la direction du Soleil avec les neutrinos 5.3 « Neutrinographie » du Soleil

5.4 Résultats combinés de SNO

5.5 Arthur McDonald, Prix Nobel 2015 5.6 Origine des neutrinos atmosphériques 5.7 Anneaux Cerenkov de muons et électrons

5.8 Distribution des directions d’arrivée des neutrinos atmosphériques de type électronique et muonique

5.9 Takaaki Kajita, Prix Nobel 2015

5.10 Spectre en énergie des neutrinos de réacteurs dans KamLAND 5.11 Neutrinos détectés à 730 km avec le détecteur MINOS

6.1 Analyse de la queue du spectre en désintégration de³He 6.2 Schéma de l’expérience KATRIN

164 Liste des figures

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6.3 Werner Heisenberg (1901-1976) Prix Nobel 1932 6.4 Probabilité d’oscillation d’un neutrino d’accélérateur

6.5 Relation entre les neutrinos d’interactions et les neutrinos de masses 6.6 Superposition de deux types d’oscillations aux réacteurs

6.7 Résultats de Double Chooz

6.8 Les deux solutions de hiérarchie de masses

6.9 Ettore Majorana (1902-1938), théoricien du neutrino 7.1 Les messagers de l’astrophysique

7.2 Structure interne de la Terre

8.1 Image du fond cosmologique mesuré par Planck

8.2 Résultat préliminaire de T2K sur la mesure de la phaseδ 8.3 Le projet DUNE

8.4 Le projet HyperKamiokande

8.5 Courbe des vitesses de rotations autour d’une galaxie 8.6 Le «bullet cluster»

9.1 Résultat de LSND

9.2 Anomalie des flux de réacteurs nucléaires 9.3 Constituants dans le modèleνMSM 9.4 L’expérience PS191

9.5 Limite obtenue sur les neutrinos lourds par PS191 9.6 Couplage entre un neutrino et un photon

9.7 Indication d’un excès de photons extragalactiques à 3,5 keV

NEUTRINOS LES MESSAGERS DE L’INVISIBLE 165