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La Radioactivité ou la préhistoire du neutrino

Dossier - Le neutrino, élusive particule
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Le neutrino, dont on peut dire qu'il existait avant même d'avoir été inventé puisqu'il est issu des premiers instants de l'Univers, n'a été conçu que dans les années 1930 pour résoudre un problème de conservation de l'énergie !

  
DossiersLe neutrino, élusive particule
 

Le caractère immuable de la matière a été remis en cause avec la découverte de la radioactivité il y a 100 ans. À la suite de cette découverte l'étude des noyaux radioactifs et de leurs rayonnements conduit à trois types de radioactivité suivant la nature de l'émission ..

Dans le premier cas, un noyau d'hélium -édifice très stable- appelé particule alpha , est expulsé du noyau initial avec une énergie bien définie compensant l'énergie équivalente à la différence de masse entre le noyau initial et le noyau final (E = mc2) en vertu du principe de conservation de l'énergie .

Il en est de même lors de l'émission de rayons gammas les photons sont émis à une ou plusieurs énergies bien définies (valeur discrète). En revanche il en va différemment des rayons bêtas, qui sont des électrons, découverts en 1897 par J.J. Thomson (1856-1940). A la surprise des physiciens, pour ce rayonnement l'énergie d'émission des électrons s'étendait continûment de 0 à une valeur maximum correspondant à l'énergie totale disponible dans le noyau émetteur (spectre continu d'émission).

Il y eut alors une longue polémique sur la possibilité de non conservation de l'énergie dans ce type de désintégration, polémique alimentée par Niels Bohr(1885-1962) , celui-ci suggérant des mécanismes différents à l'échelle subatomique, ne conservant l'énergie qu'en moyenne. C'est le physicien suisse, d'origine autrichienne (naturalisé américain par la suite) Wolfgang Pauli(1900 - 1958), qui suggéra en 1930 pour sauver le principe de conservation de l'énergie (Cf: la lettre de Zurich) de faire intervenir une particule supplémentaire non observée, donc neutre et de masse faible (voire nulle ?) qu'il qualifie lui-même de remède désespéré et qui sera baptisée  « neutrino » par Enrico Fermi(1901-1954) , pour « le petit neutre » par opposition au « neutrone » (le gros neutre) ou neutron (en français) que James Chadwick(1891-1974) venait de découvrir. C'est au même Fermi que l'on doit vers 1933 une explication aussi complète que possible de la désintégration , basée sur l'hypothèse que le couple électron-neutrino était produit par le noyau alors que ni l'une ni l'autre de ces particules n'y préexistent à la différence de la particule alpha quasiment préformée dans le noyau.

Le neutrino ne laissant aucune trace dans les détecteurs existants il devait en outre être insensible aux interactions électromagnétiques et nucléaires. Ceci explique pourquoi il s'écoulera environ 25 ans entre cette idée originale et la mise en évidence de cette particule (1956) par Clyde Cowan (1919-1974) et Frederick Reines (1918-1998), ce dernier ayant reçu le prix Nobel de physique en 1995 pour cette découverte.

Fig. 1 - La désintégration bêta du neutron du point de vue de l'interaction faible telle qu'elle est décrite aujourd'hui, c'est à dire transformation d'un quark en un autre avec échange d'un boson vecteur intermédiaire.

Quant à l'interaction faible qui régit la désintégration bêta elle ne trouvera son explication théorique complète que dans les années 1970 avec l'introduction des bosons W et Z (fig 1).

Ce rappel historique résume toute la spécificité du neutrino et son mystère .. 60 ans de recherche opiniâtre menée par différents physiciens pour une « particule ». C'est cette recherche que nous allons décrire à travers les questions qu'elle soulève et les expériences réalisées ou en projet.

Le neutrino et la matière aujourd'hui

La matière à son échelle la plus élémentaire est composée de deux types de particules les leptons et les quarks.

Fig. 2 - La matière telle que l'on peut la représenter aujourd'hui par ses constituants ultimes et ses messagers.

Chaque groupe comprend six particules groupées en paire.(fig 2)

En particulier les leptons comprennent :

  • L'électron - le neutrino électronique
  • Le muon - le neutrino muonique
  • Le tau - le neutrino tauique

En effet , longtemps après la découverte du « neutrino » associé à l'électron auprès de réacteurs ont été mis en évidence les neutrinos associés au muon et au tau au cours d'expériences réalisée avec des accélérateurs .