Colloques de l'Orme des Merisiers
Physicien CEA Saclay DSM / IRFU
Colloques de l'Orme des Merisiers
Ces conférences sont organisées tous les deux mois.
LES NEUTRINOS DANS L'UNIVERS.
Thierry Lasserre nous a déjà présenté plusieurs conférences sur les neutrinos, aussi, je vais reprendre au début de ce compte rendu quelques portions de texte que j'ai déjà utilisées.
LES NEUTRINOS ET LE MODÈLE STANDARD.
Les neutrinos peuvent provenir de différentes
sources :
Si
les neutrinos ont une masse; lorsqu'ils se déplacent, ils peuvent se transformer
(plus ou moins totalement) d'une espèce en une autre. Le phénomène
est périodique en fonction de la distance
entre la source et le détecteur et prend le
nom d'oscillations
Mais dans les différents pièges à neutrinos, on ne
mesure que 1/3 des neutrinos attendus, c'est l'énigme des neutrinos solaires :
le Super
Kamiokande est toujours en
déficit, pourquoi?
Il
y en a de trois types dans ce phénomène d'oscillation :
le neutrino électronique
le neutrino tauique
le neutrino muonique
L'oscillation des neutrinos, implique qu'ils possèdent une masse.
Elle serait de l'ordre de un million à 10 millions de fois plus faible que celle de l'électron.
L'oscillation des neutrinos a déjà été maintes fois observée, comme on le voit sur la diapo ci-contre.
L'expression mathématique qui indique comment deux types de neutrinos oscillent l'un vers l'autre dépend de la différence des carrés de leur masse. Donc, si la masse des neutrinos était nulle, il n'y aurait pas d'oscillation". Ces oscillations sont la preuve que la masse du neutrino n'est pas nulle.
Il y a donc mélange de neutrinos entre ces divers types. Ce changement d'état correspond à un changement de "saveur" leptonique au cours du temps. Ce mélange des trois états de masse est appelé angle de mélange (et se nomme par la lettre grecque Thêta, mixing angle en anglais) , il n'y a que trois types d'oscillations possibles.
Mais il reste de nombreuses questions ouvertes sur ces neutrinos :
On ne connait pas la masse réelle des neutrinos, on sait que deux types sont proches en masse, et le 3ème éloigné, mais c'est à peu près tout ce que l'on sait.
On ne sait pas si le Higgs donne leur masse aux neutrinos.
On ne sait pas s'il y a conservation du nombre leptonique (+1 pour un lepton, -1 pour un anti lepton et 0 pour toute autre particule)
Y a t il violation de symétrie CP (Charge et Parité)?
Existence d'un neutrino stérile?
Connaissance des trois angles de mélange, surtout le troisième thêta 1-3.
L'EXPÉRIENCE DOUBLE CHOOZ DANS LES ARDENNES.
D'après le texte du CEA :
En 2003 Le CEA/Irfu et le CNRS/IN2P3 ont lancé le projet Double Chooz. Les deux instituts ont décidé de lancer en septembre 2006 la construction de l’expérience destinée à étudier les neutrinos.
L’expérience Double Chooz comporte deux détecteurs identiques. Le premier d’entre eux, situé à une distance d’environ 1 km des réacteurs, a été construit entre 2008 et 2011 sous la coordination technique de l’Irfu. Il est actuellement en prise de données depuis le mois d’avril 2011. Un deuxième détecteur est situé dans une cavité sur le site de la centrale de Chooz, à 400 m des cœurs.
Ces deux détecteurs utilisent des scintillateurs liquides spécialement mis au point pour cette expérience.
La cible au centre du détecteur contient 10 m3 de scintillateur dopé au gadolinium pour identifier la capture des neutrons directement créés par l’interaction des neutrinos venant des réacteurs nucléaires (ce sont en fait des antineutrinos)
La cible est observée par 400
photomultiplicateurs immergés qui traduisent les interactions en signaux
électroniques.
Deux détecteurs distincts et distants sont construits
afin de comparer les flux de neutrinos pour mettre en évidence le phénomène
d'oscillation. On va mesurer la disparition des neutrinos électroniques.
Sur la distance séparant les deux détecteurs, les neutrinos ont une probabilité non nulle de changer de saveur.
L'expérience Double Chooz doit mesurer la constante fondamentale theta13 associée à l’oscillation des neutrinos, essentielle pour étendre la compréhension au-delà du modèle standard de la physique des particules, et pour se préparer à explorer l’origine de l’asymétrie entre matière et antimatière dans l’Univers.
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Les réacteurs de la centrale EDF émettent 1026
neutrinos par jour. Seuls 1019 neutrinos traversent
le détecteur par jour.
Et 50 neutrinos sont détectés par jour à 1km!
100 personnes de 35 instituts sont représentés à Double Chooz.
ci joint deux courbes représentant les résultats.
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Vidéo sur l'expérience double Chooz :
La course aux neutrinos à Chooz (08-Ardennes) par France3-Champagne-Ardenne
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Ces anomalies pourraient donc provenir d'un quatrième type de neutrino, un neutrino baptisé stérile car il n’interagirait pas avec les autres types, de plus il serait très léger
Ces neutrinos stériles ne seraient sensibles qu'à la gravitation.
Cette anomalie est appelée anomalie des neutrinos (ou plutôt des antineutrinos) des réacteurs (ANR).
Illustration de l'ANR. Les résultats sont comparés avec les prédictions sans oscillation (ligne = 1) .
Ce neutrino stérile, n'aurait bien entendu pas d'interaction connue avec la matière, se mélangerait aux trois autres et aurait une masse inférieure à l'eV.
On voit le champ correspondant à cet éventuel 4ème neutrino, cette 3ème oscillation, pour laquelle il faudra encore tester différents scénarios.
par exemple : les expériences prévues pour LSND (Liquid Scintillation Neutrino Detector) ou pour GALLEX (Gallium Experiment) au Gran Sasso et SAGE (Soviet American Gallium Experiment).
Une des expériences les plus récentes est Nucifer sur le réacteur Osiris de Saclay, collaboration CEA et Max Planck Insitut. Elle est fondée sur la technologie Chooz. Scintillateur de 850l , détecteur situé très près (7m) du cœur du réacteur; 300 neutrinos détectés par jour.
Mais le vrai challenge c'est de se mettre encore plus près du cœur d'une source fortement radioactive (le Ce 144), ce sera fait avec l'expérience Borexino (Boron Solar Neutrino Experiment en italien) du Gran Sasso.
Extraits de la doc CEA sur le sujet :
Par définition un neutrino stérile ne peut pas induire une interaction permettant sa détection directe. Il pourrait néanmoins se joindre aux trois autres dans le phénomène d’oscillation. L’effet expérimental de sa présence serait une diminution caractéristique du nombre d’interactions des neutrinos « ordinaires », variable selon leur énergie ou la distance à laquelle ils sont détectés.
Ainsi, si le neutrino stérile existe, le nombre d’antineutrinos du cérium détecté devrait présenter une modulation spatiale de quelques pour cent d’amplitude sur un parcours de quelques mètres !
D’où l’idée de placer une telle source au centre d'un détecteur sphérique à scintillateur liquide (voir figure 1), afin de déterminer les variations du taux de détection en fonction de la distance à la source (courbe rouge de la figure 1). La variation attendue a une période inversement proportionnelle au carré de la masse du neutrino stérile, tandis que l’amplitude du phénomène est reliée à la force (angle de mélange) avec laquelle le quatrième neutrino se mélange aux trois autres.
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| La désintégration du Cérium (émetteur d'antineutrinos). Période 285 jours, ce qui est compatible avec un transport moyennement lent. | Le trajet du transport de la source de 10.000Ci de puis la Russie jusqu'au tunnel du Gran Sasso en Italie. |
Nous attendons avec impatience les premiers résultats.
ET LA COSMOLOGIE DANS TOUT çA ?
Les
modèles cosmologiques actuels comme le CDM (Cold Dark Matter) semblent atteindre
leurs limites; en effet les simulations à base de ces modèles ne rendant pas
compte parfaitement des structures observées dans l'Univers, notamment il y
aurait trop de structures à petite échelle autour des galaxies.
Un autre neutrino (le cinquième alors) stérile, pourrait mieux rendre compte de cette réalité. il devrait avoir une masse de l'ordre du keV. C'est ce que l'on appelle le modèle WDM (Warm Dark Matter, matière noire tiède).
On compte beaucoup sur l'expérience Katrin (Karlsruhe Tritium Neutrino) de nos amis allemands, pour nous permettre de mesurer beaucoup plus précisément la masse de ces neutrinos. Et peut être même de confirmer l'existence d'autres neutrinos.
Ce cinquième neutrino (cosmologique) remettrait un peu en cause les conclusions de Planck élaborées en 2013; mais attendons la fin de cette année 2014 pour voir ce qu'il en est; de nouvelles conclusions devant être diffusées à cette époque.
Donc, affaire à suivre, nous en reparlerons.....
