Mise à jour 22 Octobre 2021.
CONFÉRENCE MENSUELLE DE LA SAF
De Benjamin QUILAIN du Labo Leprince Ringuet
École Polytechnique
«
Le neutrino, une particule fantôme, clef de notre Univers ?
»
Organisée par la SAF
En présence du public et en vidéo (direct) sur canal YouTube SAF
Le Mercredi 13 Octobre 2021 à 19H00
Photos : JPM pour l'ambiance. (Les photos avec plus de résolution
peuvent m'être
demandées directement)
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur. Voir
les crédits des autres photos si nécessaire
La présentation est disponible sur
ma liaison ftp , rentrer le mot de passe, puis CONFÉRENCES SAF ensuite
SAISON 2021/2022 ; elle s’appelle :
NeutrinoPhysics-oct2021_SAF_Quilain_v2.pdf
Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me
contacter avant.
La vidéo de la réunion est accessible :
https://youtu.be/dEYzUxHXLIg
Tous les autres enregistrements sont accessibles sur la
chaine
YouTube SAF.
Benjamin Quilain est chargé de recherches au CNRS, en poste au
Laboratoire Leprince Ringuet à l’École
Polytechnique.
C’est un spécialiste du monde des particules élémentaires et
notamment des neutrinos, ces incroyablement petites particules qui traversent
par milliards notre corps sans jamais que l’on s’en rende compte.
Benjamin a passé de nombreuses années (de 2015 à 2020) au Japon,
haut lieu de la physique des neutrinos au Kamiokande, super Kamiokande et Hyper
kamiokande.
Il parle presque couramment le japonais maintenant.
Il y a testé de nouveaux détecteurs et a effectué des recherches
sur la violation CP (voir explication plus loin dans le texte).
Il nous présente l’état des connaissances actuelles sur ces
sympathiques petites particules.
Même si l’amphi n’est
pas complètement rempli, car certains ont encore des réticences à être présents,
il y a plus de monde que lors de la première séance de reprise.
Les gens vont venir de plus en plus nombreux j’en suis sûr.
De plus, nous avions plus de 80 spectateurs sur YouTube.
INTRODUCTION À LA PHYSIQUE DES PARTICULES.
Le conférencier commence par un rappel sur la physique des
particules, je commente cette partie très brièvement.
Quelques points essentiels :
·
La matière est composée d’atomes, elle est
essentiellement vide !
·
Atome = noyau + électrons
·
Noyau : proton et neutron composés de quarks, à
priori particules élémentaires.
·
L’alchimie de la matière s’effectue grâce
à trois particules :
au niveau noyau : les quarks up et down et au niveau hors noyau, grâce aux
électrons (qui sont eux des leptons). Comme dit Benjamin, l’essentiel sur Terre
est composé de 3 particules élémentaires !
·
Rayons cosmiques, découverte des muons, un genre
d’électron mais 200 fois plus lourd.
Maintenant si on pousse plus loin, l’alchimie de la matière, il
nous faut envisager 12 particules, comme on le voit sur la diapo ci-contre.
Il y a 6 quarks et 6 leptons.
Les quarks sont des particules très sociables : elles ne vivent
qu’en groupe
Ils constituent le tissu de la matière : les protons et les
neutrons
Contrairement aux quarks, les leptons sont des particules
solitaires, les plus connues les électrons et les neutrinos.
Il y a aussi 4 grandes forces fondamentales dans la nature qui
sont résumées sur ce tableau.
En
quelques mots :
·
L’interaction à grande distance : la
gravitation.
·
À distance atomique : l’électromagnétisme
qui crée les atomes et est la base de la chimie. Portée infinie comme la
gravitation.
·
Au niveau nucléaire, la colle des atomes : la
force nucléaire forte,
responsable de la fusion au cœur des étoiles. Les quarks sont sensibles à cette
force.
·
Si on plonge encore plus profond dans le
nucléaire, c’est le domaine de la
force nucléaire faible,
responsable de la radioactivité et de la transformation des neutrons en protons
et réciproquement, clé de la fabrication des éléments de la table périodique.
Des neutrinos sont créés à la suite de ces transformations.
Remarquez l’échelle des différentes forces.
L’élaboration de ces différentes particules et forces ont mené à
une théorie sur la physique des particules :
le modèle standard de la
physique.
Il a été finalisé en 1967 et jamais pris en défaut depuis.
À retenir :
La matière ce sont des fermions (leptons et quarks) et les
transmetteurs de force, ce sont des bosons (photons, gluons,…).
Pouvoir de pénétration de différentes particules.
·
Les électrons sont stoppés par la main
·
Les photons, ça dépend de leur énergie, faible
énergie, la main ou une feuille d’alu, très énergétiques quelques cm de plomb.
·
Les neutrinos :
50 % d’un flux de
neutrinos serait stoppé par
une année lumière de
plomb !!!!!!! soit 10.000 milliards de km !
Alors la question devient : comment peut-on les détecter.
DÉTECTION
DES NEUTRINOS.
Quelques mots sur la découverte du neutrino.
Extrait d’un de mes textes précédents sur le neutrino :
Les neutrinos sont apparus suite à une anomalie que l'on avait
détectée avec le rayonnement Bêta.
La désintégration bêta moins, c'est la transformation d'un
neutron d'un noyau en proton, la désintégration bêta plus est la transformation
d'un proton en neutron.
Dans la radioactivité bêta moins, 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.
Les lois
de conservation de l'énergie n'étaient plus respectées, ce qui posait
problème.
C'est Wolfgang
Pauli, qui émit l'hypothèse en 1930 qu’une particule inconnue emportant
l'énergie manquante, devait être émise à l'occasion de cette réaction.
Cette particule "virtuelle" n'est pas encore détectée, mais
elle sera baptisée neutrino. Son symbole : n
En fait lors de l'émission bêta moins, c'est un anti-neutrino
qui est émis suivant la réaction :
Le
neutrino n'a en fait été détecté que près de 25 ans plus tard, en 1956.
Il fut mis en évidence à Savannah River près d'une pile
atomique par Reines et Cowan.
Ensuite Brookhaven, le CERN et le Fermilab mettent en évidence
les différentes sortes de neutrinos.
Les dernières expériences montrent qu'il ne peut exister QUE
trois sortes de neutrinos.
Les sources de neutrinos.
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.
Sur le graphique, en abscisses l’énergie des neutrinos en eV, en
ordonnées le flux par cm2/s.
Un mot sur les neutrinos du Big Bang, ils sont si peu
énergétiques qu’ils ne sont pas (encore) détectables.
Néanmoins, comme il existe un fond diffus micro-ondes
cosmologique (le CMB émis à 380.000 ans après le BB température 3000 K), il
existe aussi un fond diffus cosmologique de neutrinos (CNB) émis 1 seconde
(température de l’ordre de 10 milliards de K) après le BB.
Les neutrinos du BB sont peu énergétiques à cause du redshit lié
à l’expansion de l’Univers.
Le rayonnement s’est refroidi, tout comme le CMB. Les neutrinos
ont une température de 1.9K. Cela correspond à l’échelle du meV (milli eV).
Étudier ce fond de neutrinos, nous permettrait d’accéder à cet
univers primordial.
Il y aurait approx 300 à 400 neutrinos fossiles par cm3 dans
l’Univers.
D’après mes notes perso :
Comment pourrait-on les détecter ?
En fait, la capture par le Tritium de neutrinos cosmologiques,
permettrait la détection de ces neutrinos primitifs.
Ce serait l’objet d’un nouveau projet qui pourrait être mené,
l’expérience Ptolemy.
Ptolemy est l’acronyme en anglais de : Pon Tecorvo Observatory
for Light Early-universe Massive-neutrino Yield, il y a une autre alternative :
Princeton Tritium Obervatory for Light Early-universe Massive-neutrino Yield.
On espère beaucoup de cette expérience.
C’est le Soleil qui est la source la plus intense de neutrinos.
Mais ils posent une énigme dès leur découverte.
Depuis plus de trente ans, les physiciens détectent moins de
neutrinos solaires sur Terre que le nombre prédit par les modèles du Soleil.
Ce désaccord constitue l'énigme des neutrinos solaires, une des
plus grandes énigmes de la Physique Moderne
C’est le cas de Davis qui construit dans la mine de Homestake un
détecteur équipé de 600 tonnes de détergent (le Cl va se transformer en Ar grâce
au neutrino), il attend en principe un neutrino par jour. Mais il n’en mesure en
fait qu’un tiers de la
valeur attendue.
De même on a construit au Japon au fond d’une mine un détecteur
géant : le super Kamiokande.
Un détecteur de 50.000 tonnes d’eau ultra pure.
Là aussi, on constate un déficit des neutrinos mesuré.
Je reprends une partie d’un de mes textes sur les neutrinos
solaires :
Mais qu’arrive-t-il donc aux neutrinos solaires ?
On
s’aperçoit peu à peu qu'il existe plusieurs
types de neutrinos.
En fait il
faut d’abord se rappeler qu’il existe (au moins ?) trois sortes de neutrinos
(trois saveurs) :
·
Le neutrino électronique,
·
Celui associé au muon et
·
Celui associé au Tau.
Jusqu’à
présent, seuls les neutrinos électroniques étaient mesurés.
Le
problème du déficit en neutrinos, vient du fait que le Soleil émet des neutrinos
électroniques, qui en cours de route se transforment en les deux autres sortes.
Si le
premier neutrino détecté était du type « électronique » (associé à l’électron),
les faisceaux de neutrinos permettent en 1963 la détection d'un deuxième type de
neutrinos, celui associé au méson mu, on dira qu'il existe une deuxième "saveur"
au neutrino.
Plus tard
en 2000 au Fermilab, on trouvera le troisième type le neutrino associé au méson
tau.
Ils changent ainsi de saveur.
C'est ce
qu'on appelle l'oscillation
des neutrinos solaires.
De même,
les résultats de plusieurs expériences de détection des neutrinos atmosphériques
ont permis de mettre en évidence un déficit entre le nombre de neutrinos
atmosphériques de type muonique détectés et les prévisions théoriques.
Il se
produit un phénomène similaire d’oscillation. 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 aurait que trois types d'oscillations possibles.
Il nous faudrait pour confirmer toutes ces hypothèses, une
expérience qui mesure tous les types de neutrinos.
Elle existe, ce sont les expériences du SNO (Sudbury Neutrino
Observatory) situées à 2 kilomètres sous terre, dans une mine de nickel au
Canada qui vont résoudre l'énigme des neutrinos manquants en 2002.
C’est, contrairement aux autres, un détecteur à eau lourde
(1000 tonnes 300M$), 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 le
deutérium) et là, …..le compte est bon !
Il y a une
oscillation périodique
des neutrinos.
Il est intéressant de noter que l’oscillation donne le delta
des masses au carré.
Le modèle standard ne prévoit que 3 neutrinos sensibles à
l’interaction faible.
LES
NEUTRINOS ONT DONC UNE MASSE.
Que ce soit le neutrino solaire ou atmosphérique, il s'est
donc bien transformé, et 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.
Masse électron / 10 millions
< masse du neutrino
< Masse électron / 1 million
Donc une très faible masse, mais non nulle.
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)!
En fait les neutrinos n’ont pas de masse définie,
ils sont COMPOSITES
de différents états.
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 ?
Détecteur à Super
Kamiokande. (Illustration Kamiokande)
On les détecte au Super Kamiokande quand ils ont traversé toute
la Terre. Les détecteurs sont sous une montagne de 1 km de haut.
40 m de haut, diamètre de 40 m. 50.000 tonnes d’eau pure.
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.
C’est la lumière
Cherenkov que l’on détecte grâce à des tubes photo multiplicateurs (PM tubes
en anglais)
Maintenance des
(énormes) PMT à partir de…canots pneumatiques !
LES TROIS
SAVEURS.
Il y aurait trois états d’interaction (les neutrinos
électroniques, muoniques et tauiques) et associés, trois états de propagation (n1,
n2, n3).
Il y aurait donc trois familles de neutrinos ordinaires qui sont
en fait une combinaison des trois neutrinos de base (on les distingue par les
trois couleurs RGB ou saveur).
Ils correspondraient à trois angles de mélange différents ; Thêta
2-3, Thêta 1-3, Thêta 1-2
On ne connait pas la masse individuelle 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.
En fait on ne connait que les différences de masses au carré !
On a mis au point il y a quelques années, une expérience
originale au Japon. Elle s’appelle T2K
À cet effet les scientifiques Japonais ont monté une expérience,
l’expérience T2K (pour Tokai To Kamioka); où des neutrinos (muoniques) et anti
neutrinos (muoniques) sont produits dans l’accélérateur J-PARC (Japan Proton
Accelerator Research Complex) situé à Tokai au Nord de Tokyo sur le Pacifique,
et sont envoyés 295 km plus loin au grand détecteur Super Kamiokande.
Pendant le trajet, les neutrinos changent de « saveur », ils
deviennent électroniques.
Il semble bien qu’à partir des premières années de données, il y
ait une différence de comportement, donc une asymétrie entre ces deux types de
particules. Les neutrinos oscilleraient plus vite que les antineutrinos avec un
indice de confiance de 90% pour le moment.
C’est cette valeur de 90% qui doit être améliorée dans les
prochaines années afin d’atteindre 99,7% (correspondant à 3 sigmas) qui
officialiserait effectivement cette violation de symétrie.
Il y aurait donc bien une physique au-delà du modèle standard !
On note donc une phase
de violation de la
symétrie CP (charge/parité) pendant l’expérience T2K, et ceci avec un
degré de confiance de 95% mais on aimerait bien avoir en fait 99,999999% !
Si une telle symétrie était brisée, cela
expliquerait la différence
entre matière et antimatière, en effet, transformer l’une dans l’autre,
implique de passer de la particule à l’antiparticule (C), mais aussi d’effectuer
une symétrie miroir (P).
La question de l’origine de cette violation CP est un des
problèmes les plus fondamentaux en physique.
Ce serait une révolution.
On reprend le Big Bang : ses problèmes (horizon, platitude ..) et
la solution inflation.
À la fin de l’inflation, l’Univers est homogène, il contient
autant de matière que d’antimatière.
Mais alors, comment expliquer
qu’aujourd’hui on ait que de
la matière ?
La violation de la symétrie CP pourrait expliquer cela grâce à la
présence de la force faible.
Et c’est là où nos amis les neutrinos ont eu un rôle à jouer !
Ils vont aider à produire un très léger excédent de matière sur
l’antimatière. (1 sur 10 milliards)
Cette unique petite particule va créer tout notre Univers.
Afin d’améliorer la précision des expériences actuelles, les
Japonais développent l’expérience Hyper
Kamiokande bien plus énorme sur Super Kamiokande. Première lumière 2027.
CONCLUSION.
On fonde de grands espoirs sur les nouvelles détections de
neutrinos qui devraient nous permettre de déterminer leurs masses avec plus de
précisions et surtout vérifier la violation de la symétrie CP.
Nombreuses questions à la suite de la conférence.
On espère que nos amis sur YouTube ont pu suivre cette conférence
avec un bon niveau de qualité d’image et de son. Pour le moment je n’ai eu que
des retours techniques positifs.
POUR ALLER PLUS LOIN :
Super-Kamiokande : Le Détecteur à Neutrinos
Les CR de conférences sur les neutrinos :
Les neutrinos :
CR de la conf SAF de Th Lasserre du 10 Juin 2020
Neutrinos, de B Pontecorvo au Nobel 2015 :
CR conf SAF de D Vignaud du 10 Nov 2017
Le mystère des neutrinos :
CR de la conf SAF de D Vignaud du 16 Déc 2009
Pontecorvo-Majorana-neutrinos :
CR de la conf d’E. Klein du 5 Sept 2018
Oscillating Neutrinos :
CR conf Prix Nobel de Physique 2015 à la Sorbonne du 6 Avril 2016
La matière noire et le
neutrino stérile par Th Lasserre du
CEA dans le cadre de l'école Chalonge
La mystérieuse nature des neutrinos :
CR de la conf. de Th Lasserre RCE 2010 le 14 Nov 2010
Mais où est donc passée l’antimatière ? : CR de la conférence SAF de MH
Schune du 14 Oct 2015
Bon ciel à tous
Prochaine conférence SAF
devant public :
le mercredi 10 Novembre 2021 à 19H00 au CNAM amphi JB Say exceptionnellement.
Alan Sacha BRUN du dépt d’Astrophysique du CEA Paris Saclay, nous parlera de :
LE SOLEIL A RENDEZ-VOUS AVEC LA TERRE : MAGNÉTISME SOLAIRE ETC..
Transmission en direct
en même temps sur le canal YouTube de la SAF
Réservation :
https://www.planetastronomy.com/special/SAF/conf-mens.htm
ou SAF
Sinon à suivre en
direct : https://youtu.be/dEYzUxHXLIg
Jean Pierre
Martin
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