vignaud neutrinos



Mise à jour le 30 Juillet 2009

SÉMINAIRE SUR L’UNIVERS INVISIBLE
Organisé par l’Observatoire de Paris (LUTH)
Conférence de Daniel VIGNAUD, Physicien des Particules, Directeur de recherche du CEA, Astroparticule et Cosmologie sur
«LES NEUTRINOS DANS L'UNIVERS»
Le 8 Juillet 2009 à L'UNESCO.

Remarque : Cette conférence fait partie d’un ensemble de conférences données à l’occasion de ce séminaire, dont on peut consulter le compte rendu sur ce site.
Photos : JPM. pour l'ambiance. Voir les crédits des autres photos éventuelles.
Je ne propose que des comptes rendus succincts de ces conférences, le site Univers 2009, dédié aux manifestations de l'Univers Invisible devrait mettre en ligne bientôt le texte de toutes les conférences.
NOTA : j'ai fait de nombreuses photos en haute résolution que je ne peux pas mettre sur le site question volume, ceux qui seraient intéressés par certaines photos en plus haute définition que celles qui suivent n'ont qu'à me contacter, je les envoie par e-mail.

La présentation de D Vignaud est disponible sur le Net.


Le 23 Février 1987 à 7H35 TU nous avons tous été traversés par quelques millions de milliards de neutrinos en une dizaine de secondes.

C'était dû à l'explosion de la super nova du XXème siècle située dans le Grand Nuage de Magellan et qui s'est produite il y a approximativement 150.000 ans.

En fait nous sommes baignés en permanence par 65 milliards de neutrinos par cm2 et par seconde venus du Soleil

Notre corps humain contient aussi environ 20 millions de neutrinos issus du Big Bang et émet chaque seconde quelques milliers de neutrinos liés à sa radioactivité naturelle











Les neutrinos sont également produits dans l'interaction des rayons cosmiques dans l'atmosphère ou dans les noyaux actifs de galaxies...

Il y a de nombreux procédés de formation des neutrinos comme on le voit sur ce graphique.
Il y a en fonction des énergies mises en jeu (échelle horizontale):
· les neutrinos cosmologiques
· les neutrinos solaires
· les neutrinos des super novas (SN)
· les neutrinos géologiques
· les neutrinos produits dans les centrales nucléaires
· les neutrinos atmosphériques
· les neutrinos des quasars



Davis et Koshiba ont obtenu le Prix Nobel de physique en 2002 pour l'observation des neutrinos cosmiques.


Mais quelle est donc cette particule si présente dans l'Univers???


L'HISTOIRE DES NEUTRINOS.

Pourquoi les neutrinos??

Les neutrinos sont liés à la radioactivité et en particulier à la radioactivité bêta.
(voir ce film de 3 minutes sur la radioactivité par la Cité des Sciences pour vous remémorer ce phénomène)

La radioactivité bêta posait un problème, un électron était éjecté du noyau avec une énergie variable ce qui semblait prouver qu'une certaine quantité d'énergie était émise (conservation de l'énergie, une grande loi de la physique) mais non détectée.

Un noyau (A,Z) se transforme en un noyau (A,Z+1) avec émission d'un électron, mais on ne trouvait pas de trace d'une autre particule.

Le problème semblait si insoluble que certains physiciens imaginèrent même que l'énergie pouvait n'être conservée qu'en moyenne et non dans chaque phénomène physique (Bohr se trompe).



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 d'ailleurs Fermi qui élabore la théorie de la désintégration bêta, qui est le résultat de la transformation d'un neutron en un proton (ou d'un proton en un neutron pour la bêta moins).

Le neutrino a pour symbole : n ( se lit "nu")



Le neutrino (plutôt l'antineutrino) fut ensuite découvert par F.Reines et C.Cowan en 1956, auprès du réacteur nucléaire de Savannah River (Caroline du Sud). C'était un neutrino lié à l'électron.

En 1962 à Brookhaven on découvre un deuxième type de neutrino, cette fois-ci lié au muon.

Puis en 1990, le LEP au CERN montre qu'il existe une troisième sorte de cette particule, le neutrino lié au Tau, et qu'il n'existe que seulement trois familles.

Mais c'est le Fermilab de Chicago qui le découvre.



C'est une particule élémentaire, sans charge électrique, qui n'est soumise qu'à l'interaction faible, ce qui lui permet de traverser des quantités de matière importantes sans interagir.


Pour les détecter il faut soit en avoir beaucoup, soit des énormes détecteurs.

Mais comment se placent les énergies de ces neutrinos par rapport aux autres particules, on va le découvrir sur cette diapo.
Les neutrinos sont situés à l'extrême gauche sur le graphique, leur énergie de l'ordre du meV (milli) alors que les électrons sont de l'ordre du Mev (Mega) soit approximativement un milliard de fois plus.




Les neutrinos sont de vrais passe-muraille; il en passe 65 milliards par cm2, si on voulait les piéger dans un détecteur de 100m de long et de 1m2 de surface, il en passerait 65 milliards de milliards, et on en détecterait……………..un seul!!



L'OSCILLATION DES NEUTRINOS.


Les neutrinos sont de trois types (on dit trois "saveurs"), et quand ils se déplacent, il semble qu'ils puissent passer d'une espèce à l'autre plus ou moins totalement, le phénomène est périodique en fonction de la distance, c'est ce que l'on appelle l'oscillation des neutrinos.

Le fait qu'ils se transforment de l'un en l'autre type (prévu par la MQ), prouve qu'ils ont une masse, car le fait de passer d'un type à l'autre implique qu'ils n'aient pas la même masse, donc pas de masse zéro.




LES NEUTRINOS SOLAIRES.

C'est en 1938, que Hans Bethe imaginait que des réactions nucléaires de fusion étaient au cœur de la production d'énergie des étoiles, et en premier lieu du Soleil.

La température du Soleil est suffisamment élevée pour qu'il y ait réaction de fusion; il se produit plusieurs réactions nucléaires qui peuvent se résumer à cela :














Des neutrinos sont produits pendant ces réactions ainsi qu'une énergie de 4 10^-12W, c'est cela qui nous chauffe.

On peut calculer le flux de neutrinos arrivant sur Terre par la formule ci-contre.

Le résultat est le chiffre déjà annoncé :

65 milliards par cm2 et par seconde.



La détection des neutrinos solaires.

Dans l'expérience GALLEX du tunnel du Gran Sasso, on n'a détecté que 60% des neutrinos attendus.

Dans les 50.000 tonnes d'eau du détecteur japonais du Kamiokande, on n'a détecté que 45% des neutrinos attendus.

Depuis plus de trente ans, les physiciens détectent moins de neutrinos solaires sur terre que le nombre prédit par les modèles du Soleil qui estiment l'émission de ces neutrinos dans la région nucléaire centrale.

Ce désaccord constitue l'énigme des neutrinos solaires, une des plus grandes énigmes de la Physique Moderne

Mais dans le détecteur canadien du Sudburry (SNO) contenant 1000 tonnes d'eau lourde et situé à 2000m sous terre, on arrive là, à détecter tous les types de neutrinos, ce type de détecteur semble être sensible à toute la famille.
Le SNO a permis d'observer la transformation d'un type de neutrinos en les deux autres types, environ 60% des neutrinos solaires subissent cette transformation.

L'énigme des neutrinos solaires est résolu : ils changent de "couleur" (ou plutôt de saveur, on dit flavor en anglais) au cours du voyage, seul le SNO était sensible aux trois couleurs, les autres types de détecteur (GALLEX, Kaliokande) n'étaient sensibles qu'à la "couleur" de départ.


LES NEUTRINOS ATMOSPHÉRIQUES.


Les rayons cosmiques interagissent avec l'atmosphère et produisent 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. Il y a deux fois plus du premier type que du second.

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 comme les neutrinos solaires?


On les détecte au SuperKamiokande quand ils ont traversé toute 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.

Ils se transforment aussi comme les neutrinos solaires.


LES NEUTRINOS DES SUPER NOVÆ.


Le 23 Février 1987 a lieu la première explosion de SN de l'ère des télescopes.
L'étoile Sanduleak-69 202, située dans le Grand Nuage de Magellan (LMC) à 150.000 années lumière, venait de s'effondrer sur elle même en Supernova (SN 1987a).
Sa luminosité est aussi importante que celle de la galaxie hôte, mais il faut savoir qu'en fait, 99% de l'énergie dégagée lors de l'effondrement est rayonnée sous la forme de neutrinos (contre 0,01% pour les photons), en quelques secondes.



Les neutrinos sont produits car la densité de matière est telle que les protons et les électrons se combinent pour former des neutrons et cela produit des neutrinos (et anti neutrinos). (voir schéma ci-contre).

Le nombre de neutrinos émis : 10⁵⁸ neutrinos! 450 millions de milliards ont traversé le détecteur Kamiokande.

Quelques uns vont être détectés par Kamiokande (ce sont des détecteurs Photo Multiplicateurs de Lumière (PMT) plongés dans 2000 t d'eau) :ils en détectent: 10 en 10 secondes ! Kamiokande venait d'être mis en service ce fut un réel succès.



Il faut noter que ces neutrinos détectés ont en fait traversé toute la Terre avant de frapper les détecteurs, en effet, la supernova était dans l'hémisphère Sud et les détecteurs dans l'hémisphère Nord.

La mort d'une étoile massive: lorsque le cœur de fer s’effondre, le noyau vole en éclats et on a émission de neutrinos, les neutrinos sont les premiers messagers de la mort d'une étoile.

Ces neutrinos ont été détectés 2 heures 20 avant l'apparition de la SN dans les instruments optiques; c'est le temps que l'onde de choc a mis pour atteindre la surface de l'étoile.

Comme le dit si justement Daniel Vignaud, les neutrinos sont les témoins privilégiés de la vie et de la mort des étoiles.



Note du rédacteur : pour information :
L'énergie de ces neutrinos a été calculée, elle est de l'ordre de 3 10⁵³ ergs.
Elle serait 10.000 fois plus importante que l'énergie lumineuse émise.

(l'erg est une ancienne unité qui correspondait au système CGS, elle vaut en nouvelle unité (MKS) = 10^-7 Joule ou 2,7 10^-14 kW.h.
L'énergie de ces neutrinos est donc de l'ordre de 10⁴⁰ kW.h, chiffre un peu plus parlant sachant que la France consomme en une année approximativement 3 10¹² kW.h.)

On pense en calculant à l'envers que le nombre de neutrinos émis était de l'ordre de 10⁵⁷ à 10⁵⁸(n'essayez pas d'imaginer un tel nombre, vous n'y arriverez pas)!!!!



LES NEUTRINOS DES QUASARS.

Les Quasars sont aussi une autre source de neutrinos cosmiques.

Les quasars sont des objets très lumineux, ils correspondent à des noyaux de galaxies très puissantes.
La plupart sont très éloignés de nous.

Un "proche" est NGC 4261, situé "seulement " à 100 millions d'années lumière de la Terre.

Les quasars abritent généralement en leur centre un trou noir extrêmement massif. Ce trou noir avale du gaz et la matière aux alentours. La matière qui tombe en spiralant sur le TN forme un disque d'accrétion. Le gaz et la matière sont chauffés très fort et émettent de la lumière sous forme de rayonnement visible et UV et des jets radio perpendiculairement au disque de matière.

Ces jets (relativistes) contiennent des protons qui vont donner naissance entre autres à des neutrinos.


Animation TN : http://chandra.harvard.edu/photo/2006/bhcen/bhe_sm.mov



LES NEUTRINOS DU BIG BANG.


Ils ont joué un rôle très important peu de temps après la période d'inflation.

Ce sont les premiers fossiles du BB, ils ont été les premiers à se découpler (cessation des interactions) du reste de l'Univers approximativement une seconde après le temps zéro.

Il reste de cette époque approximativement 300 neutrinos par cm3 dans tout l'Univers.




DÉTECTION DES NEUTRINOS.

Pour observer tout le ciel, on utilise des observatoires soit marin, comme ANTARES soit au Pôle Sud comme Ice-Cube.

ANTARES = Astronomy with A Neutrino Telescope and Abyss environmental RESearch
C’est un projet(CEA CNRS) pour installer dans le fond de la Méditerranée des détecteurs de neutrinos
À terme plus de 200 détecteurs doivent être immergés
Dans le cas d’ANTARES les détecteurs sont dirigés VERS LE BAS car ils doivent détecter les neutrinos qui ont traversé la Terre et interagit avec elle (produit un muon lumineux). La mer protège aussi des rayons cosmiques parasites


IceCube est un observatoire de neutrinos d'un kilomètre cube situé sous le Pôle Sud.
Sa construction a débuté en 2005 et devrait se terminer en 2011.
Il succède à AMANDA (Antarctic Muon and Neutrino Detector Array). situé lui aussi au pôle Sud.
IceCube est constitué de 80 lignes de détecteurs répartis dans un hexagone sur un kilomètre carré.
Chaque ligne d'un kilomètre de long, est composé de 60 sphères de verre de 50 centimètres de diamètre, contenant chacun un photomultiplicateur orienté vers le bas. Cette ligne est placée dans un puits entre 1450 mètres et 2450 mètres de profondeur.
Il y a donc 4800 photomultiplicateurs répartis dans un cylindre hexagonal d'un kilomètre cube (un photomultiplicateur tous les 17 mètres en hauteur).


Ce sont des projets en cours qui donnent beaucoup d'espoir.


RETOUR À LA MASSE DES NEUTRINOS.



Des expériences de physique des particules et de cosmologie ont permis de mettre une limite supérieure à la masse du neutrino le plus lourd, bien moins de 1 eV. Mais on n'a vraiment accès qu'à la différence de masse entre types de neutrinos.

Le neutrino serait 10 milliards de fois moins massif que l'électron, néanmoins , il contribue au bilan massique de l'univers et ne peut excéder quelques pourcents, ce qui est tout de même du même ordre de grandeur que la masse de toutes les étoiles (0,3% de tout l'Univers)!






CONCLUSION.

Le neutrino est à la croisée des chemins de :
· La physique des particules
· La cosmologie
· L'astrophysique.


Ils sont les messagers des phénomènes fondamentaux dans l'Univers.

La mort des étoiles massives en SN émet une énorme quantité de neutrinos.

Ce sont les plus vieux fossiles de l'Univers, mais ne pèsent pas lourd dans la masse manquante.

L'astronomie des neutrinos en est à ses balbutiements mais est très prometteuse, et il reste encore tant de mystères à dévoiler…



POUR ALLER PLUS LOIN.

La mystérieuse identité des neutrinos, article de Pour la Science par D Vignaud.

Le neutrino et le cosmologiste par James Rich et Daniel Vignaud, article de Pour la Science en pdf.

L'Univers des Neutrinos : CR de la conférence SAF de Th Lasserre

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

What is a neutrino?

Neutrinos from the Sun, vieil article de Scientific American de 1969.

L'histoire des neutrinos par l'IN2P3.

Neutrino Oscillations and Neutrino Mass

Sensitive Measurement By SNO Observes Solar Neutrinos In A New Way, article de Science Daily.

Neutrino flavor transitions présentation pdf par Paolo Lipari Frascati/LNGS, très technique.

Le Chasseur de neutrinos par Th. Stolarczyk du CEA.

Quand les particules tombent du ciel, les rayons cosmiques par C Roucelle IN2P3 IN2P3 le 14 Octobre 2005 LPNHE

Les 20 ans de la SN 1987.

Les neutrinos par HyperPhysics.

Télescope à neutrinos présentation ppt.



Bon ciel à tous!


Jean Pierre Martin membre de la Commission de Cosmologie de la SAF.
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