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D'où viennent les neutrinos ?

Les neutrinos sont partout ! Sans le savoir, nous sommes traversés chaque seconde par des millions de ces particules élémentaires, provenant de l'intérieur de la Terre, du Soleil ou de régions de l'Univers plus lointaines. Qui sont donc ces mystérieux neutrinos qui nous entourent sans que nous ne sentions jamais leur présence ? La revue de vulgarisation scientifique Élémentaire, basée à Orsay, vous propose de faire plus ample connaissance avec eux.

Détecteur de neutrinos de ChoozDétecteur de neutrinos de Chooz : vue intérieure de la structure porte-photomultiplicateurs montrant l'ampoule acrylique contenant le scintillateur au gadolinium (servant de cible pour les neutrinos).
© MEDARD Laurence/Photothèque CNRS

Parmi les douze particules élémentaires connues aujourd'hui, les plus mystérieuses sont certainement les neutrinos. Ils sont partout mais, pourtant, nous ne nous rendons pas compte de leur présence. Ainsi, nous baignons dans un fond de neutrinos issus du Big Bang (environ 336 par cm3) qui parcourent notre corps en tous sens à la vitesse phénoménale de 15000 km/s. Nous recevons aussi du Soleil 700 000 000 000 000 (sept cent mille milliards !) de neutrinos par seconde et par m2, que notre étoile soit « couchée » ou bien à son zénith.

De plus, les substances radioactives contenues dans la croûte et le manteau terrestre émettent aussi des neutrinos en se désintégrant : à cause de ce phénomène, 20 millions de neutrinos supplémentaires nous traversent chaque seconde ! Ces désintégrations maintiennent le noyau terrestre en fusion en fournissant une chaleur équivalente à 40 000 centrales nucléaires.

L'humanité est également responsable d'une partie de l'émission de neutrinos. Naturellement, nous produisons des neutrinos (environ 4000 par seconde pour une personne d'une soixantaine de kilos) qui viennent principalement de la désintégration de l'isotope radioactif du potassium contenu dans nos os – ce phénomène est complètement naturel et sans aucun danger. Enfin, les centrales nucléaires en émettent une quantité considérable. A un kilomètre du cœur de l'une d'entre-elles, on reçoit un nombre de neutrinos similaire à celui qui vient du Soleil.

Cette émission est-elle dangereuse ? Pas du tout ! Même si le flux de neutrinos traversant la matière est colossal, presque aucune de ces particules n'interagit avec cette dernière. En effet, la matière est quasi-transparente pour les neutrinos. Ainsi, des neutrinos de basse énergie – une dizaine de MeV par exemple – peuvent parcourir une épaisseur de plomb égale à une année-lumière (près de 10 000 milliards de km !) sans que la moitié d'entre eux aient interagi avec les noyaux du métal.

Il existe trois types de neutrinos : le neutrino-électron (Ve), le neutrino-muon (Vµ) et le neutrino-tau (Vτ). Ils tirent leur nom de trois autres particules élémentaires : l'électron e, le muon µ et le tau τ, auxquelles ils sont associés.

D'où viennent les Neutrinos ?Schéma explicatif : d'où viennent les neutrinos ?
© Elémentaire
Les neutrinos « naissent » en 1930 lorsque W. Pauli propose comme « remède du désespoir » l'existence d'une particule neutre de faible masse pour expliquer l'apparente non-conservation de l'énergie dans la désintégration radioactive β. Si cet ajout permet de réconcilier théorie et expérience, il n'est pas satisfaisant dans la mesure où la particule imaginée reste introuvable. En compliquant une théorie, on peut toujours expliquer plus de résultats expérimentaux ; par contre, on court le risque de proposer une description artificielle des phénomènes étudiés, éloignée de la réalité.

En 1933, le célèbre physicien italien E. Fermi reprend cette hypothèse et construit la première théorie décrivant cette réaction. Fermi propose le nom de neutrino (« le petit neutre » en italien) pour cette particule hypothétique et insaisissable. Deux décennies plus tard, les choses s'accélèrent et le neutrino acquiert ses lettres de noblesse : cette simple hypothèse théorique devient une particule « réelle », visible dans des détecteurs. En 1956, le Ve est mis en évidence par F. Reines et R. Cowan. En 1962, le Vµ est découvert par M. Schwartz, L. Lederman, J. Steinberger et J.-M. Gaillard. Finalement, le Vτ – dont l'existence était déjà prédite par des mesures indirectes – est détecté par l'expérience DONUT en 2000.

L'année précédente, l'expérience SuperKamiokande au Japon avait montré que les neutrinos avaient une masse très faible, mais non nulle. C'est la première observation directe d'un phénomène qui nécessite d'étendre la théorie des particules élémentaires, le Modèle Standard. Ce résultat, salué par le Prix Nobel de Physique 2002, ouvre de nouvelles perspectives à la fois théoriques et expérimentales à l'aube du XXIe siècle. En particulier, le phénomène appelé « oscillations de neutrinos » est actuellement l'objet de toutes les attentions.

01.Pourquoi a-t-on eu besoin des neutrinos ?

Désintegration bêtaExemple de désintégration bêta: un neutron se transforme en proton avec émission d’un électron et d’un (anti-)neutrino. Si l’électron était détecté avec précision à l’époque de Chadwick, le neutrino restait invisible tout en emportant une partie de l’énergie libérée.
© Elémentaire
L'histoire des neutrinos, particules élémentaires imaginées « sur le papier » bien avant d'être effectivement découvertes, est intéressante à bien des égards. S'étendant déjà sur quatre-vingt dix ans, elle mêle anecdotes, intuitions géniales et expériences brillantes. « L'invention » du neutrino en 1930 a permis de comprendre des mesures effectuées dès 1914, que la théorie ne parvenait pas à expliquer. Néanmoins, les caractéristiques très particulières de cette particule – pour laquelle toute matière est quasi-transparente – ont empêché les physiciens de la détecter pendant plusieurs décennies.

Aujourd'hui, les neutrinos sont toujours un sujet d'étude passionnant qui est bien loin d'avoir livré tous ses mystères. Jusqu'à ces dernières années, les expériences de physique portant sur ces particules avait pour but principal de tester des prédictions théoriques antérieures : existence des neutrinos, présence de trois espèces différentes etc. Maintenant, elles mettent en évidence des comportements nouveaux qui n'ont pas leur place dans le modèle actuel de la physique des constituants élémentaires. Ces phénomènes sont le premier signe direct d'une nouvelle physique dont la mise en évidence et la compréhension sont actuellement les enjeux principaux de notre discipline.

James ChadwickJames Chadwick (1891-1974), prix Nobel de physique 1935.
© AIP Emilio Segre Visual Archives
La radioactivité est un processus physique dans lequel un noyau se transforme en un autre (on dit qu'il se « transmute ») en émettant une ou plusieurs particules. Ce phénomène, observé par Henri Becquerel en 1898, a été un sujet d'étude récurent de la physique du XXe siècle. Sa compréhension a débouché sur de nombreuses applications, comme par exemple la datation de vestiges archéologiques ou de roches très anciennes. Actuellement, on connaît trois formes de radioactivité, appelées α (« alpha », émission de noyaux d'hélium), β (« bêta », émission d'électrons) et γ (« gamma », émission de photons).
En 1914, le physicien anglais J. Chadwick étudie la distribution de l'énergie (ou « spectre ») des électrons émis par un processus de radioactivité β dans lequel un neutron se transforme en proton. Ses mesures, effectuées sur un grand nombre de désintégration β, montrent que l'électron n'emporte qu'une fraction (variable) de l'énergie disponible. Où part le reste ? Scientifiquement, cette interrogation est fondamentale : l'une des règles de base de la physique est que si l'énergie ne cesse de se transformer, elle se conserve toujours.

Wolfgang PauliWolfgang Pauli (1900-1958), prix Nobel de physique 1945.
© CERN Courtesy AIP Emilio Segre Visual Archive
Ce problème est contemporain des premières études de la structure du noyau qui ne sont pas non plus exemptes de difficultés d'interprétation. Ces questions intéressent Wolfgang Pauli qui tente alors d'établir une relation entre les deux problèmes en sauvegardant le principe de conservation de l'énergie grâce à l'existence d'une nouvelle particule neutre, alors provisoirement appelée neutron (A l'époque, le neutron n'a pas encore été découvert) et qui pourrait être un composant des noyaux atomiques.

En décembre 1930 Pauli envoie à un congrès de physique réuni à Tübingen en Allemagne une lettre dans laquelle il propose un « remède du désespoir » (verzweifelte Ausweg) qui pourrait expliquer les résultats expérimentaux sur la radioactivité bêta. Lui-même n'y croit d'ailleurs pas beaucoup : il n'assiste même pas au congrès et préfère se rendre à un bal à Zurich ! Les termes de sa lettre montrent également l'état d'esprit de Pauli au moment de proposer cet « expédient ».

Niels BohrNiels Bohr, physicien danois (1885-1962) connu pour sa contribution à la physique nucléaire et à la compréhension de la structure de l'atome et à l'interprétation de la théorie quantique.
© AIP Emilio Segre Visual Archives/W.F. Meggers
L'année suivante, Pauli expose à nouveau cette idée dans une conférence à Pasadena en Californie. Là, il abandonne l'idée que les particules neutres de la désintégration bêta soient aussi des composantes du noyau et, en conséquence le terme de neutron. Il renonce toutefois à faire imprimer le texte de son intervention ce qui limite sa diffusion. Dans le même temps, le physicien danois N. Bohr continue à défendre l'idée d'une conservation de l'énergie simplement statistique (c'est-à-dire en moyenne).

En 1932, Chadwick met en évidence le « véritable » neutron, la particule neutre formant les noyaux avec le proton. Lors de séminaires tenus à Rome, E. Fermi attribue le nom de « neutrino » (petit neutre, par opposition au « neutrone », le gros neutre) à la particule introduite par Pauli. Une mise au point générale s'opère au congrès Solvay de Bruxelles en 1933, ou on fait la distinction entre neutron (du noyau) et neutrino (de la désintégration bêta). Les réticences de Pauli s'effacent et il signe l'acte de naissance du neutrino dans une communication officielle à ce même congrès.

02.Différentes familles

Congrès SolvayParticipants au congrès Solvay de 1927 : comme à chacune des sept éditions, l’élite des physiciens a répondu présent.
© CERN

Fin 1933, Fermi écrit un article décrivant la première théorie complète de la désintégration β et du neutrino. Il y introduit l'interaction faible, l'une des trois forces fondamentales agissant au niveau des particules élémentaires. L'article est refusé par la revue Nature parce qu'il contient « des spéculations trop éloignées de la réalité physique » (Emilio Segré : Enrico Fermi, physicist ; University of Chicago Press, 1970). Il sera d'abord publié en italien, puis en allemand dans la revue Zeitschrift für Physik (1934). Finalement, en 1936 Bohr accepte sans réserve l'hypothèse de conservation stricte de l'énergie et donc l'existence du neutrino… dont les multiples formes restaient encore à découvrir !

Actuellement, on connaît trois familles de particules élémentaires, formées chacune d'un lepton, d'un neutrino et de deux quarks. On distingue les différents neutrinos par le nom du lepton de la même famille : neutrino-électron (Ve), neutrino-muon (Vµ) et neutrino-tau (Vτ) respectivement. En effet, un neutrino donné intervient dans les réactions de production et de destruction du lepton associé. Une règle générale veut que pour chaque particule élémentaire il existe une anti-particule ; on a donc également trois anti-neutrinos.

Enrico FermiEnrico Fermi, physicien italien (1901-1954), prix Nobel de physique 1938.
© AIP Emilio Segre Visual Archives
L'unique moyen de mettre en évidence une particule est de la faire passer dans un détecteur avec lequel elle interagit. En effet, cette traversée crée une perturbation qui est ensuite transformée en un signal électrique finalement détecté à la sortie du dispositif. Or, quand des neutrinos traversent de la matière, ils ne subissent presque aucune perturbation – on dit que les neutrinos se « couplent » très faiblement avec la matière. Ainsi, un neutrino peut traverser la Terre sans être jamais dévié de sa trajectoire !

Comme les neutrinos sont des passe-muraille presque parfaits, produire un unique neutrino ne servirait à rien : la probabilité de le découvrir est beaucoup trop faible. Pour pouvoir étudier directement les neutrinos, il faut donc disposer d'un grand nombre de ces particules et leur faire traverser la quantité la plus importante possible de matière. En pratique, on ne détecte jamais un neutrino directement mais toujours la ou les conséquences de son passage.

Ceci explique pourquoi les neutrinos n'ont été découverts que « tardivement » : en 1956 pour le Ve, en 1962 pour le Vµ et finalement en 2000 pour le Vτ, soit plusieurs dizaines d'années après que leur existence avait été postulée par les théoriciens.

En fait, bien qu'ils passent presque complètement « inaperçus » – y compris dans les détecteurs les plus perfectionnés ! – les neutrinos sont partout : un grand nombre d'entre eux nous traversent chaque seconde. Ils proviennent de sources variés : certains sont des vestiges du Big Bang et des premiers temps de l'Univers, d'autres naissent lors de cataclysmes gigantesques marquant la mort brutale d'une étoile. Des neutrinos sont également créés dans la haute atmosphère par des particules très énergétiques provenant de l'espace. Enfin, le Soleil et les centrales nucléaires produisent une grande quantité de neutrinos.

Aujourd'hui, on sait également que les neutrinos ont une masse très faible (mais non nulle). Cette découverte très récente était attendue depuis plusieurs dizaines d'années. Elle a été le point de départ de nombreuses études mais ce phénomène est encore loin d'avoir livré tous ses secrets.

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