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D'où viennent les neutrinos ?

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
 

1°) Comment et où produit-on des neutrinos ?

Comment le neutrino interagit-il avec la matière et quels effets permettent de le détecter ? Suivant le domaine d'énergie que l'on considère, le neutrino produit se comporte de façon différente vis-à-vis de la matière qu'il rencontre.

Fig. 3 - Fenêtre d'énergie pour différents types d'origine des neutrinos

Il est donc commode de différencier les domaines d'énergie où intervient le neutrino. (fig 3 fenêtre neutrino sur l'Univers)

2°) Gamme d'énergies du neutrino :

autour du meV (0.001 eV) :

Dans la soupe primordiale de particules à très haute température, et dès les premiers centièmes de seconde de notre Univers nous trouvons des neutrinos en très grand nombre (un milliard de fois plus que des « nucléons »), produits suivant la réaction :
e+ e- -> ν ν.

Ces neutrinos, reliques des premiers instants de l'Univers , ont suivi l' expansion en volume de l'Univers et leur énergie a diminué (la soupe s'est refroidie). Ils sont aujourd'hui dilués à raison de 100/cm3 et par espèce Le domaine de physique concerné est la cosmologie.

du keV au MeV (1000 eV à 1.000.000 eV) :

Nous sommes dans le domaine de la physique nucléaire ou de l'astrophysique nucléaire . De telles énergies sont mises en jeu lors des réactions de fusion dans le soleil ( solaires ) ou dans certaines désintégrations de noyaux radioactifs. Ou sont aussi obtenues dans les centrales nucléaires après désintégrations des produits de fission.

au delà du GeV (Un milliard d'eV) :

C'est le domaine d'énergie des accélérateurs de particules ou des rayons cosmiques. Les neutrinos produits servent de sonde pour la matière ou de témoin de phénomènes violents qui ont lieu dans l'Univers.

2°) --- les neutrinos peuvent être produits naturellement

Dans les étoiles

La fusion de deux protons dans le soleil conduit à la production d'hydrogène lourd (deutérium) accompagné d'un positon et d'un neutrino. Cette réaction brûle lentement l'hydrogène (600 millions de tonnes par seconde !) et permet ainsi au soleil de nous chauffer et à la vie de se développer sur terre. Ceci constitue le cycle de production d'énergie (synthèse de l'hélium) dans le Soleil.

Issus du soleil, 65 milliards de neutrinos par seconde et par cm2 nous transpercent, tels d'indolores fléchettes.

Fig. 4 - Production de neutrinos dans le soleil

Dans le coeur des supernovae nous assistons à la photodissociation du fer en éléments plus légers: qui a pour conséquence les réactions de capture d'électrons par les protons: Un peu plus tard dans l'évolution de l'étoile on assiste aussi à des réactions du type production de paires neutrinos- antineutrinos. (fig 4 )

Dans l'atmosphère

Fig. 5 - Rayons cosmiques

Le neutrino est le produit de désintégration de particules instables combinaisons de paires quark-antiquark appelées mésons π (pions) ou K (kaons) présents dans les rayons cosmiques (fig 5). Le processus général est le suivant: Les protons lorsqu'ils pénètrent dans l'atmosphère terrestre produisent des pions et des kaons chargés lesquels se désintègrent :

3°) ---Mais il sont aussi produits artificiellement sur notre planète Terre

Fig. 6 - Nuage due à une explosion de bombe atomique dans un désert aux Etats-Unis
  • a - par une bombe atomique du type Hiroshima (bombe A), (fig 6) qui produit des antineutrinos par fission, comme un réacteur nucléaire, à tel point que la première proposition pour détecter les neutrinos, dans les années 50, fut de placer un détecteur sur un site d'expérimentation militaire, où l'on faisait exploser des prototypes de bombe (Los-Alamos).
Fig. 7 - Tours de refroidissement de la centrale de CHOOZ (Ardennes)
  • b) auprès des réacteurs :
Les abondants fragments de fission pour la plupart radioactifs émettent des antineutrinos par radioactivité bêta. C'est la raison pour laquelle les premiers détecteurs ont été installés auprès des centrales de production d'énergie nucléaire ce fut le cas du projet « Poltergeist » (« esprit frappeur ») des physiciens Cowan et Reines (fig 9 p 4). Aujourd'hui un projet à initiative française s'installe à CHOOZ (fig 7)
Fig. 8 - Fabrication du faisceau de neutrinos
  • c) dans les accélérateurs :
Certaines particules instables se désintègrent en produisant des neutrinos. C'est le cas des mésons. Le processus est identique à celui de la production de neutrinos d'origine cosmique où l'atmosphère joue le rôle d'absorbeur. Par conséquent il est possible d'obtenir un faisceau de neutrinos en interposant quelques mètres d'absorbeur (acier, plomb,..) pour éliminer les particules produites dans un accélérateur. (Fig 8)