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Comment ils interagissent ?

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 neutrino, un passe muraille?

Etant donnée l'importance de cette particule, jusqu'ici, sans masse et invisible, le physicien s'est rapidement posé la question de sa mise en évidence, autrement dit, de la façon de la détecter. Mais l'interaction du neutrino avec la matière donne peu d'effets détectables, ce qui le rend particulièrement difficile à mettre en évidence . A tel point que Pauli, lui même, disait qu'il avait inventé une particule que l'on ne pourrait jamais voir ! Nous emprunterons ici une explication due à Asimov pour illustrer la transparence de la matière vis à vis du neutrino.

Le neutrino un passe muraille ?

Le processus de radioactivité bêta :qui consiste en la désintégration d'un neutron (*n*) pour donner proton,électron, antineutrino, a lieu en moyenne en 15 minutes et donne un antineutrino d'énergie environ 1 MeV.

A l'inverse si le neutron absorbe le neutrino dans la réaction apparentée suivante :

n + ν -> p + e

il lui faudra en moyenne 15 minutes ou environ 1000 secondes, durée pendant laquelle le neutrino à la vitesse de la lumière parcourt environ 300.000.000 kilomètres. A condition qu'il passe sans cesse à côté de neutrons qui se touchent, ce qui suppose être dans une matière aussi dense que celle d'un noyau. Mais la matière ordinaire est pratiquement vide : elle est faite d'atomes qui se touchent, et les atomes sont de l'ordre de 10000 fois plus grands que leur noyau. Le neutrino ne rencontre donc par unité de surface que cent millions de fois (100002 ) moins de neutrons dans la matière ordinaire que dans la matière d'un noyau. Il doit donc y parcourir une longueur d'un ordre de grandeur cent millions de fois plus grand pour rencontrer assez de neutrons et avoir une chance d'être absorbé, soit environ: 30 000 000 000 000 000 km.

Fig. 9 - Réactions de détection dans un détecteur (liquide scintillant) placé auprès d'un réacteur.

On dit alors que le neutrino agit peu ou « faiblement » pour garder une terminologie aussi proche que possible de la théorie /(Interaction Faible)/ qui décrit sa production comme sa façon d'interagir.

Par conséquent, aux énergies de la radioactivité (de l'ordre du MeV ) et à celles là seulement l'Univers actuel est quasiment transparent pour les neutrinos.

Prenons l'exemple des neutrinos issus du Soleil (MeV ):

Le nombre « N » d'interactions observables est le produit d'une quantité assimilable à une surface σ (très petite: 10-44 cm2 ) par un flux φ( grand : de l'ordre de 1011 particules par sec et par cm2 ) et par un nombre de nucléons cibles A faisant intervenir le nombre d'Avogadro (6.1023 nucléons/g). Ce qui nous conduit à « N » = φ* σ* A , c'est-à-dire quelques événements par jour et par tonne de cible. Pour détecter ces neutrinos ou des neutrinos d'énergie équivalente (inférieure ou de l'ordre du MeV) il va donc falloir utiliser : des détecteurs de grandes tailles en raison du faible taux d'événements même si les flux incidents sont importants. Cela dit dans cette gamme d'énergie il est le plus souvent nécessaire de se protéger des rayons cosmiques et par conséquent d'installer le détecteur dans une mine, sous l'eau, ou encore dans un tunnel ; la couverture de terre ou d'eau joue le rôle de tamis ne laissant passer que les particules les plus pénétrantes, ou bien s'installer auprès (centaines de mètres) de centrales nucléaires qui produisent des antineutrinos en nombre suffisant pour atteindre quelques événements par jour dans un détecteur de volume plus modeste (le mètre cube).

Si, en revanche on cherche à détecter des neutrinos plus énergiques :

Alors nous sommes aidés par la dépendance avec l'énergie. En effet, plus l'énergie du neutrino est élevée, plus la matière est opaque vis-à-vis du neutrino ou, dit autrement, plus celui-ci va interagir. Ce sera le cas auprès d'accélérateurs, où nous obtenons des énergies plus élevées et des flux importants, ce qui doit permettre d'utiliser des détecteurs de taille plus raisonnable. Dans tous les cas, il s'agira de détecter :

  • soit une énergie déposée due à la collision du neutrino avec un noyau, un électron.

  • soit les produits plus facilement détectables : par exemple, la désintégration bêta inverse d'un noyau comprenant Z protons et A nucléons:

ν + ( A, Z) => ( A, Z+1) + e -

produit un noyau instable qui peut être détecté par sa désintégration.