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L'essentiel sur... les neutrinos

Publié le 11 juillet 2019

​Dans le bouillon primordial de l’Univers, dans le chaudron des étoiles, dans le fumet de la radioactivité, ce petit grain de matière excite les physiciens car sa nature, sa masse, ses oscillations sont autant de mystères. Les neutrinos sont partout autour de nous, et, à la lecture de ces mots, plusieurs millions de milliards d’entre eux vous ont traversé sans que vous ne vous en aperceviez. Découvrez d’où ils viennent et pourquoi les chercheurs les étudient sous toutes leurs formes…

Naissance des neutrinos


Du concept au baptême

Depuis 1914, une énigme venant des observations expérimentales de la radioactivité bêta persiste. Pour la résoudre, Wolfgang Pauli propose en 1930 l’existence d’une nouvelle particule neutre et légère. Trois ans plus tard, Enrico Fermi développe le modèle mathématique qui explique cette radioactivité intégrant la particule de Pauli qu’il nomme neutrino. Théorie et expérience sont enfin en accords grâce à cette nouvelle particule pas encore observée. 
Pauli a reçu le prix Nobel en 1945 et Fermi en 1938.

Les premières détections

Si le neutrino existe, c’est bien auprès d’une centrale nucléaire qu’il est possible de les trouver car les fissions génèrent énormément de désintégrations beta. Frederick Reines et Clyde Cowan installent donc des détecteurs auprès de la centrale nucléaire de Savannah River (USA). Ils finissent par les détecter en 1956.

Qu'est-ce que le neutrino ? 


Le neutrino est une particule élémentaire décrit dans le modèle standard de la physique des particules. Celui-ci est la théorie qui décrit les particules et leurs interactions fondamentales. Le tout à des échelles inférieures à 10-15 m.


Le modèle standard
Infographie : Le modèle standard de la physique des particules © Fabrice Mathé/Amélie Lorec



Il peut avoir trois formes : le neutrino électronique, muonique et tauique. Les neutrinos n'ont pas de charge électrique et ont une masse très faible dont on connaît seulement une limite supérieure.  

On ne connait pas encore les valeurs absolues de ces
masses mais l’expérience montre qu’elles sont très petites, au maximum
de l’ordre de l’eV/c2 – à comparer avec la plus légère des particules de
matière chargées, l’électron, dont la masse vaut environ 511 000 eV/c2.

Le mystère de la masse

Les scientifiques tentent de comprendre pourquoi le neutrino a une masse non nulle et pourquoi elle est si petite. Cette question de la masse du neutrino nous révèle que la théorie du Modèle standard est incomplète et met au défi notre compréhension de l'Univers.


 Les neutrinos et la matière

Les neutrinos ne sont sensibles qu'à l'interaction faible, ils n'interagissent que très peu avec la matière. Pour absorber la moitié d'un flux de neutrinos, il faudrait opposer un mur de plomb d'une année-lumière d'épaisseur à ce flux.



VidéoLes neutrinos




Comment capturer les neutrinos ?


Pour arriver à attraper les neutrinos, plusieurs techniques ont été mises au point. 

La technique du liquide scintillant

Le liquide scintillant réagit au passage des particules en émettant de la lumière. En étudiant cette lumière, on peut savoir quelles particules l’ont traversée, et mesurer leur énergie. En 2013, le détecteur Nucifer à Saclay a détecté ses premiers neutrinos auprès du réacteur de recherche Osiris. Nucifer utilise comme milieu de détection un liquide scintillant dopé au gadolinium. 


La technique de la détection dans l’eau

La nature d’une particule peut être identifiée grâce à son passage dans la lumière bleue Tcherenkov. Cette lumière est émise lorsqu’une particule chargée se déplace plus vite que la lumière dans le milieu traversé.


La technique de la chambre à bulles 

Les chambres à bulles étaient utilisées dans les années 50 à 70. Une chambre à bulle était un espace fermé dans lequel on trouvait un liquide, porté à une température proche de son point d’ébullition, dans lequel les particules créaient des bulles sur leurs trajectoires. Ces dernières étaient photographiées.


Chambre à bulles
Chambre à bulles exposée à l'extérieur d'un bâtiment du Fermilab. © Wikimedia Commons

Premières observations dans une chambre à bulles
Premières traces observées par John Wood dans de l'hydrogène liquide en 1954. © Wikimedia Commons




Les différents sources de neutrinos

Les neutrinos ont des origines bien distinctes. 

Les neutrinos du Big Bang

Les neutrinos du Big Bang sont nés il y a 13,7 milliards d’années, une seconde après le Big Bang. Ils possèdent au moins un milliard de fois moins d’énergie que les autres neutrinos. La détection des neutrinos du Big Bang est irréalisable avec les moyens technologiques actuels. Ces neutrinos, s’ils sont capturés, pourraient nous transmettre des informations inédites sur la naissance de l’Univers. 

Les neutrinos de supernova

Les supernovas sont des étoiles très massives. Lorsque l’une d’elles meure, 1058 neutrinos naissent en quelques secondes. Lors de la dernière supernova visible, en 1987, 160 000 milliards de neutrinos nous ont traversés en 10 secondes. 

Les neutrinos de l’extrême

Les neutrinos de l’extrême viennent de galaxies lointaines et arrivent en très petit nombre sur Terre. Seule une dizaine d’entre eux a pu être détectée. Les observer permet d’avoir des informations sur les événements qui les ont créés. 

Certains ont été détectés, c’est le cas de Bert et Ernie, en 2013. En 2017, les détecteurs IceCube et Fermi ont observé des neutrinos et des photons provenant d’un trou noir super massif situé à 3,7 milliards d’années-lumière.
 

Les neutrinos du Soleil

Ces neutrinos naissent de la fusion d’hydrogène au cœur du Soleil. Ils sont 1038 à être émis par le Soleil, tandis que la Terre en reçoit 65 milliards par seconde et par cm².
Les neutrinos du Soleil permettent de connaître la température du Soleil et complètent nos connaissances sur son fonctionnement.

Les neutrinos atmosphériques

Les neutrinos atmosphériques naissent de la rencontre entre des rayons cosmiques et l’atmosphère. Ils sont produits en permanence et arrosent la Terre.

Les neutrinos des centrales

Ces neutrinos naissent de la fission des noyaux au sein des réacteurs nucléaires. Ce sont les premiers à avoir été détectés en 1956. Les réacteurs nucléaires sont les plus gros producteurs de neutrinos artificiels. L’expérience Double Chooz étudie les neutrinos issus de la centrale EDF à Chooz, elle a été la première à mesurer l’oscillation des neutrinos de réacteur en 2011.
 

Les neutrinos de la Terre

Ils proviennent de la radioactivité naturelle émise par les atomes d’uranium, de thorium et de potassium situés dans la croûte et le manteau de la Terre.
Chaque seconde, un humain est traversé par 500 millions de neutrinos lorsqu’il est debout et 3 milliards lorsqu’il est couché. Les neutrinos de la Terre apportent aux chercheurs des informations cruciales sur le fonctionnement interne de notre planète. Ils permettent d’expliquer la chaleur à l’intérieur de la Terre.

Les neutrinos des accélérateurs 

Ils sont produits dans les accélérateurs de particules. Les particules sont accélérées à des vitesses proches de celle de la lumière avant d’être projetées contre une cible. Les neutrinos naissent de ces collisions. Les chercheurs peuvent observer l’oscillation d’un même neutrino à partir de différents détecteurs situés à des distances différentes de la cible. 

Les neutrinos naturels

Les neutrinos naturels sont produits par la radioactivité naturelle. Seule la radioactivité Beta produit des neutrinos. Par exemple, le carbone 14 est un élément radioactif qui permet de dater des vestiges archéologiques. 


Vidéola datation par le carbone 14


Dans le corps humain, il y a environ 160 grammes de potassium dont 190 milligrammes de potassium 40 qui génèrent des neutrinos. 400 millions de neutrinos s’échappent du corps humain chaque jour. 






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Frederick Reines et Clyde Cowan

Fredericl Reines et Clyde Cowan © Physics Dept., Univ. of California, Irvine













































Notion clé

  • Qu’est-ce qu’une antiparticule ?
    Chaque particule connue a sa propre antiparticule. À chaque type de particule de matière correspond une antiparticule d'antimatière de même masse et dont toutes les propriétés algébriques sont de signe opposé. Lorsqu'elles se rencontrent, une particule et son antiparticule s'annihilent en libérant de l'énergie sous forme de photons ou d'un jeu d'autres particules respectant les lois de conservation. Une antiparticule est une particule jumelle avec une charge électrique inversée. Par exemple, le positron est l’antiparticule de l’électron.
    Le neutrino n’a pas de charge électrique. Il est donc difficile de le différencier de son antiparticule, on pense même qu’il peut être sa propre antiparticule.



 













  • L'effet Tcherenkov en infographie
L'effet Tcherenkov en infographie
Lumière bleue de l'effet Tcherenkov © Fabrice Mathé/Amélie Lorec


























Neutrino du Big Bag
Neutrino du Big Bang © Lison Bernet