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Mise à jour le 12 Avril 2016

 

CONFÉRENCE PUBLIQUE

« OSCILLATING NEUTRINOS »
par Takaaki Kajita, Prix Nobel de physique 2015

À LA SORBONNE Grand Amphithéâtre 6 AVRIL 2016

Rue des Écoles Paris 75005

 

Photos : JPM pour l'ambiance (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)

Vidéo de la séance

 

 

BREF COMPTE RENDU

 

Magnifique salle pour une conférence donnée par un prestigieux conférencier et c’est le Directeur de l’APC
(Astro Particules et Cosmologie), Stavros KATSANEVAS qui présente le Prix Nobel de Physique 2015.

 

Lorsque l’écran est relevé, toute la beauté de la fresque apparaît.

 

 

On peut télécharger sa présentation en anglais ou en français.

 

 

Takaaki Kajita est un physicien Japonais spécialiste des neutrinos, il a été à l’Institut ICRR (Institue for Cosmic Radiation Research) de Tokyo avant de devenir Directeur du Center for Cosmic Neutrinos  à l’ICRR.

 

Il obtient son doctorat (PhD) en 1986, sur la recherche de la désintégration éventuelle du proton, qui n’a pas été mise en évidence.

 

 

Il est célèbre pour ses recherches sur les neutrinos à l’Observatoire Kamiokande et Super-Kamiokande, où il remarque les déficits de certaines classes de neutrinos.

 

C’est en Octobre 2015 qu’il obtient avec son collègue Canadien le Prix Nobel de Physique 2015  pour la découverte des oscillations de neutrinos.

 

 

 

 

Rappel sur les neutrinos (NDLR) :

 

C'est Wolfgang Pauli, célèbre physicien Autrichien, qui en 1930 émit l'hypothèse qu'une particule neutre devait être émise en même temps que l'électron.

Cette particule, il l'appelle d'abord….neutron, mais quelques temps plus tard James Chadwick découvre la particule neutre qui compose le noyau, et qu'il va appeler neutron, alors cette nouvelle particule non encore détectée est baptisée par Enrico Fermi neutrino (petit neutre).

C’est en fait Fermi qui va élaborer la théorie de la désintégration bêta et la publie en 1934.

Que sait-on alors ? 

Le neutrino interagit très très peu ; sa probabilité d’interaction avec un humain est par exemple de 10-16 !!

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 !

 

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 !

 

Les fissions nucléaires en chaîne produisent en moyenne 1021 neutrinos (en fait des anti neutrinos) par seconde !

 

Et c’est en 1956 que Reines et Cowan détectent les anti neutrinos du réacteur nucléaire de Savannah River.

 

En effet, le réacteur éteint, on détecte un neutrino par heure, le réacteur en fonctionnement, quatre ! Donc c’est bien la preuve.

 

 

 

Au début on pensait les neutrinos sans masse, en fait ils en ont une mais très très faible.

Ils n’ont pas de charge et ce sont des particules élémentaires comme n et e-.

Ce sont des leptons (comme l’électron) de la famille des Fermions (les quarks sont un autre membre de cette famille); on sait qu’il y a essentiellement deux types de particules élémentaires :

 

·         Les Fermions sont des particules liées à la matière, ce sont tout ce que l’on connaît : les atomes et les molécules

·         Les Bosons, sont les « messagers » des Forces de la nature (qui sont au nombre de 4) le photon est le plus connu de tous

 

Les Fermions sont partagés en trois familles (pourquoi trois ??? mystère pour le moment) de Quarks  et Leptons :

Seule la première famille donne naissance à de la matière stable.

 

http://www.planetastronomy.com/special/2015-special/10dec/clip_image025.jpg

Il y a trois familles de neutrinos « ordinaires ».

 

·         Le neutrino électronique

·         Le neutrino tauique

·         Le neutrino muonique

 

 

 

Il y a de nombreuses sources de neutrinos :

 

·         L’atmosphère

·         Le Soleil

·         Les réacteurs nucléaires

·         La Terre (neutrinos géologiques)

·         Les accélérateurs de particules

·         Les explosions d’étoiles : les supernovas

·         Les accélérateurs astrophysiques (trous noirs…)

·         L’Univers et ses neutrinos cosmologiques.

 

 

LE DÉFICIT DES NEUTRINOS ATMOSPHÉRIQUES.

 

Les rayons cosmiques (essentiellement des protons) interagissent avec l'atmosphère et ce bombardement intensif produit des gerbes de particules que l'on peut observer en fonction de l'angle d'arrivée.

 

Il y a principalement création de neutrinos muoniques et électroniques.

 

Théoriquement, il y aurait deux fois plus du premier type que du second.

 

 

 

 

 

C’est pour mesurer ces neutrinos que le détecteur Kamiokande (dont le responsable est notre orateur) a été construit à partir de 1983. Il est situé au fond d’une mine (pour se protéger le plus possible de rayonnements parasites) sous une montagne au Japon près de la ville de Kamioka  (entre Tokyo et Osaka), d’où le nom de Kamiokande acronyme de Kamioka Nucleon Decay Experiment.

 

La détection s’effectue dans une cuve de 16m de diamètre et 16m de hauteur remplie d’eau pure. Des dizaines de milliers de Photo Multiplicateurs (PMT) sont chargés de détecter la faible lueur bleue de l’effet Cerenkov produit par l’interaction des neutrinos avec l’eau.

 

Mais on a mis en évidence un déficit entre le nombre de neutrinos de type muonique détectés provenant des antipodes et les prévisions théoriques, on n'en détecte pas deux fois plus que des types électroniques. Pourquoi?

 

Se transforment-ils pendant le voyage?

 

On les détecte au SuperKamiokande quand ils ont traversé toute la Terre.

 

Photo : Modèle de Kamiokande (crédit PD of Japan)

 

 

 

 

 

Au bout de plusieurs années d’étude des mesures de Kamiokande, on conclut que ce déficit en neutrinos muoniques n’est pas dû à des erreurs de mesures on d’instrumentation, mais que le phénomène est réellement physique.

 

Effectivement seule une oscillation du neutrino entre deux états peut expliquer cela. Ils changent en fait de ce que l’on a baptisé « saveur » (flavor en anglais).

 

 

 

 

 

S’il est ainsi passé d'une saveur à une autre, les lois de la physique quantique imposent qu'il ait une masse et que celle ci soit différente pour chaque saveur!  Des neutrinos de masse nulle ne pourraient pas osciller d'une saveur à une autre, les lois physiques l'interdisent (les masses doivent être différentes pour changer de saveur, donc les masses ne peuvent pas être nulles!), ce qui prouve bien qu'ils ont une masse. Mais infiniment faible !

Elle serait au plus de l'ordre de un million à 10 millions de fois plus faible que celle de l'électron.

 

Comment expliquer la différence de comportement entre les neutrinos qui viennent de l’espace au dessus du détecteur de ceux qui ont traversé la Terre ?

 

On s'aperçoit que le nombre de neutrinos détectés provenant du "haut" est le nombre attendu (les neutrinos muoniques descendants n'ont pas le temps de se transformer dans une autre saveur avant d'atteindre le détecteur,), alors que le nombre de neutrinos provenant du "bas" (ayant traversés la Terre et parcourent jusqu'à mille fois plus de chemin, se convertissent vraisemblablement en neutrinos tauiques) est en déficit d'un facteur deux.

 

À cette occasion, on décide de l’utilité d’un détecteur  plus imposant, c’est la naissance de Super-Kamiokande.

 

 

 

On commence sa construction en 1995.

Cette fois-ci, la cuve fait 39m par 42m ; il y a 50.000 tonnes d’eau ultra pure et une masse 20 fois plus grande que Kamiokande.

 

C’est une collaboration internationale qui comprend 120 personnes.

 

Une autre belle vue d’ensemble.

Et ici une superbe photo du « lac » intérieur avec les murs couverts de PMT.

 

Mais, là aussi, on constate un déficit des neutrinos mesuré.

Et le déficit est toujours plus grand pour les neutrinos provenant des antipodes.

Toutes les mesures vont confirmer cette oscillation.

Il y a donc mélange de neutrinos entre ces divers types.

 

 

 

 

D’autres expériences dans d’autres centres ont confirmé cette oscillation comme à :

·         K2K ou KEK au Japon

·         MINOS au Fermilab aux USA.

·         OPERA en Europe

·         T2K au Japon

 

 

L’ère des pionniers :

Les premières expériences dans les années 1960, ont lieu à Homestake, mine d'or du Dakota du Sud, Davis trouve aussi un tiers des neutrinos seulement.

Puis c'est l'expérience Gallex à partir de 1991, qui se déroule sous la montagne du Grand Sasso entre la France et l'Italie et qui confirme le déficit des neutrinos.

 

 

LA SOLUTION DU PROBLÈME DE L’OSCILLATION.

 

Il nous faudrait pour confirmer toutes ces hypothèses, une expérience qui mesure tous les types de neutrinos.

 

Elle existe, ce sont les expériences SNO (Sudburry Neutrino Observatory) située à 2 kilomètres sous terre, dans une mine de nickel du Canada, qui vont apporter la solution à cette énigme en 2002.

Elles sont dirigées par l’autre récipiendaire du Prix Nobel, Arthur Mac Donald.

 

SNO ressemble à Super Kamiokande, mais, contrairement aux autres, il y a cette fois un détecteur à eau lourde (1000 tonnes  300M$ l'eau ordinaire H2O est remplacée par de l'eau lourde D2O), et c’est cette caractéristique qui permet de mettre en évidence les trois types de neutrinos (n’importe quel type de neutrino peut interagir avec D) et là, …..le compte est bon

Le détecteur est une immense sphère d'acrylique de 12 mètres de diamètre. Tapissée de détecteurs PMT.

 

Photo : les détecteurs de SNO avant le câblage des détecteurs.

Crédit : Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory

 

Une autre très intrigante photo  de cet ensemble en acrylique supportant les PMT, pris d’en dessous, avec un objectif fisheye.

Crédit : Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory

 

 

 

 

Une vidéo sur Super Kamiokande.

 vidéo :

 

 

 

 

 

 

Toutes ces mesures sont confirmées par les nouvelles expériences de KamLAND (Kamioka Liquid Scintillator Antineutrino Detector) du Japon et BOREXINO (Boron Solar Neutrino Experiment en italien) du Gran Sasso

 

 

De plus ces nouvelles expériences ont permis de découvrir le troisième type de l’oscillation de neutrinos, le neutrino tauique.

 

 

Rapport de masse entre les différentes particules.

 

Les neutrinos sont vraiment à peine massifs !

 

 

 

 

 

 

 

 

 

LE FUTUR, RÉSOUDRE LE PLUS GRAND MYSTÈRE DE L’UNIVERS : OÙ EST PASSÉE L’ANTIMATIÈRE ?

 

Au moment du Big Bang, il y avait autant de matière que d’antimatière.

La dominance de la matière sur l’antimatière (10 milliard contre 1) s’est développée après la création des premières particules

Une telle différence de comportement entre neutrino et antineutrino de l’Univers primordial pourrait être à l’origine de l’excès de Matière: c’est la Leptogénèse

 

Une autre question se pose : le neutrino est-il sa propre antiparticule ?

 

Peut être, le neutrino avec sa faible masse pourrait nous mettre sur la voie de ce mystère : comment la matière a triomphé de l’antimatière ?

 

Il faudrait pouvoir étudier  les oscillations des neutrinos et des antineutrinos et voir si les comportements sont différents.

 

 

 

 

Pour faire ce genre d’expérience, il faut des détecteurs de grandes longueurs, c’est le but des nouveaux projets comme :

 

·         Hyper Kamiokande (un énorme réservoir d’eau)

·         J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex)

·         LBNF – DUNE (Long-Baseline Neutrino Facility Deep Underground Neutrino Experiment)  en deux sites différents.

 

 

 

CONCLUSIONS.

 

·         Le déficit des neutrinos muoniques dans l’atmosphère a été observé à Kamiokande en 1988

·         C’est en 1998 que Super Kamiokande a découvert l’oscillation des neutrinos signifiant que ces particules  ont une masse.

·         Depuis, diverses nouvelles expériences s’intéressent de plus en plus aux neutrinos afin de les caractériser

·         La découverte de la masse non nulle des neutrinos ouvre une fenêtre sur une nouvelle physique au-delà du modèle standard menant peut être à une Grande Unification

·         Il reste encore beaucoup à foire pour étudier ces particules, afin peut être de découvrir l’origine de la matière

 

 

 

 

 

POUR ALLER PLUS LOIN :

 

Les neutrinos de l’Univers : CR de la conf SAF (Cosmo) de Th Lasserre du 18 Janvier 2014

 

Le mystère des neutrinos : CR de la conf SAF de D Vignaud du 16 Déc 2009

 

La matière noire et le neutrino stérile par Th Lasserre du CEA dans le cadre de l'école Chalonge

 

Le charme discret des neutrinos : CR de la conférence de H Reeves aux RCE 2006 le 12 Nov 2006

 

L'histoire des neutrinos par l'IN2P3, à lire absolument.

 

Le neutrino, une particule fantôme, conférence Nepal du CNRS.

 

Neutrinos’ identity shift snares physics Nobel par Science News.

 

Neutrino oscillations compiled by the Class for Physics of the Royal Swedish Academy of Sciences

 

La matière prend le pas sur l’antimatière par le CNRS.

 

 

 

Jean Pierre Martin .Commission de Planétologie de la SAF.

www.planetastronomy.com

 

 

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