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Les expériences, la physique du neutrino en marche vers l'astronomie 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
 

1°) Comment progresse-t-on dans la connaissance du neutrino et comment le neutrino nous renseigne ?

Nous savons d'où viennent les neutrinos et comment ils interagissent avec la matière . Nous sommes en mesure d'expliquer comment on utilise les neutrinos dans l'aventure de la physique des particules.

Nous citerons quelques unes des expériences parmi les plus significatives de la recherche concernant cette particule inhabituelle.

Mais avant tout nous sommes obligés ici de tenir compte de l'actualité récente que nous expliciterons un peu plus : le neutrino est massif ce que nous savons depuis 2002 et modifie le type d'expériences nécessaires. (voir dernier paragraphe)

2°) Quel type d'expériences doivent être réalisées ?

Puisque le neutrino a une masse, alors chaque espèce de neutrino peut se transformer continûment en une autre c'est ce que l'on appelle le phénomène d'oscillation du neutrino. Et, réciproquement si un neutrino oscille il a une masse non nulle, c'est la raison pour laquelle plusieurs expériences tendent à mettre en évidence ce phénomène d'oscillation.
Il s'agit:, étant donné un faisceau de neutrinos d'une espèce connue, de détecter sur sa trajectoire des neutrinos d'une autre espèce. On dit que l'on a une expérience d'apparition.

Fig. 10 - Expérience de recherche d'oscillations auprès d'un réacteur (CHOOZ)

Ou bien étant donné une source connue de neutrinos (un réacteur) on cherche à comparer le nombre de neutrinos encore présents dans un détecteur à celui de la source. C'est alors une expérience de disparition.

3°) Les différents types d'expériences:

Avec des accélérateurs de particules il est possible de produire des neutrinos par bombardement puis absorption des particules indésirables. Dans ce cas on bénéficie aussi du flux important de neutrinos ainsi obtenus et l'on peut étudier le comportement des neutrinos produits. C'est avec un faisceau de neutrinos dirigé sur une « chambre de détection » (GARGAMELLE) que les courants neutres ont été découverts.

Les faisceaux de neutrinos servent aussi pour des expériences cherchant à mettre en évidence des changements d'espèce. C'est le cas de l'expérience « OPERA» au CERN.

Mais le neutrino peut aussi témoigner comme le photon du déroulement de phénomènes violents ou mystérieux dans l'Univers (explosion de supernova, fonctionnement d'une étoile,...). On a affaire aux détecteurs de neutrinos extraterrestres (solaires ou atmosphériques). Dans ce cas il s'agit de détecter le neutrino lui-même. à ce sujet, il est nécessaire de rappeler que les premières observations furent celles des neutrinos solaires dans l'expérience de Davis (Homestake - 1968) qui a reçu le prix Nobel de physique en 2002 conjointement avec M.Koshiba et R.Giacconi.

Observations qui, depuis 30 ans maintenant, ont révélé un déficit de neutrinos en provenance du soleil. Ce résultat connu comme « problème des neutrinos solaires » a donné lieu à une activité importante dans ce domaine et à des expériences aux performances accrues qui ont du reste fini par le résoudre (voir dernier paragraphe).

D'autre part, depuis sa découverte auprès du réacteur de Savannah-River aux USA, les expériences sur réacteur se sont succédées. Dans ce cas on observe aussi le neutrino - ou plus exactement l'antineutrino - en détectant les produits typiques résultant d'une interaction de neutrino. Ces expériences ont essentiellement pour mission de mettre en évidence un phénomène de disparition des neutrinos produits,qui pourrait mettre sur la piste d'une solution au problème des neutrinos solaires. Une telle observation conduirait à une interprétation en termes de masse du neutrino (expériences au Bugey, à Gösgen, et à Chooz)

Fig. 11 - Le détecteur de neutrinos solaires BOREXINO (au LNGS) : les deux enveloppes sphériques gonflées; la plus intérieure devant recevoir le liquide scintillant milieu de détection des neutrinos.

Enfin, à côté des expériences souterraines pour détecter les neutrinos du Soleil, il existe aussi une série d'expériences destinées à mesurer la masse du neutrino (si elle n'est pas nulle) en connaître la nature : le neutrino est-il à lui-même son antiparticule ? En effet, si tel est le cas, et pour certains noyaux d'atomes une désintégration de neutron produit un antineutrino puis tout se passe comme si cet antineutrino était capturé par un neutron voisin. Alors on observera l'émission de deux électrons sans émission de neutrinos baptisée double désintègration bêta sans neutrinos et que nous cherchons bien entendu à mettre en évidence. La probabilité d'un tel phénomème est très faible puisqu'elle correspond à deux interactions faibles successives. On peut attendre au mieux environ 3 ou 4 événements par an et par kilogramme de matière. Ce type d'expériences doit s'installer dans des sites protégés des parasites cosmiques et radioactifs. Ce type d'installation est possible en France au laboratoire souterrain de Modane (Tunnel du Fréjus) http://www-lsm.in2p3.fr/ à une telle expérience est en cours de réalisation (NEutrino - Molybdène)

4°) Et Maintenant

En 1936, quelques années à peine après que Pauli ait formulé l'hypothèse du neutrino, Bethe et Bacher déclaraient à son sujet :

- il ne porte pas de charge
- sa masse est très petite, probablement nulle
- il n'a pas d'effets détectables
- il est stable.

Il est intéressant de constater que 60 ans plus tard, et malgré un rythme soutenu d'expériences délicates, si notre compréhension du neutrino a progressé il est encore entouré de bien des mystères. Nous avons donc pris le parti de faire de ce paragraphe plus un état actuel de la connaissance sur le neutrino et des résultats récents qu'une conclusion qui deviendrait vite obsolète.

La question de la masse du neutrino par exemple était encore une interrogation il y a 3 ans et ne l'est plus aujourd'hui.

En effet après que le détecteur japonais de Super-Kamiokande (US - Japon) http://www.phys.washington.edu/~superk/ ait défrayé la chronique en juillet 1998 (En pleine Coupe du Monde de Football) c'est au tour du détecteur de SNO-Sudbury Neutrino Observatory http://www.sno.phy.queensu.ca au Canada de faire l'actualité.

Ainsi les résultats de Sudbury nous conduisent à croire en l'oscillation des neutrinos. Le « neutrino-électron » issu du Soleil serait changé en « neutrino-mu » ou « neutrino-tau ». Pour achever de croire en l'oscillation de neutrinos c'est de nouveau du Japon que nous parvient la signature définitive de l'oscillation observée cette fois dans le détecteur « Kamiokande » traçant les anti-neutrinos issus des réacteurs nucléaires environnants.

Toutes les briques élémentaires de la matière ont une masse depuis les années 2000 le neutrino est lui aussi massif même si nous ne pouvons encore en préciser la valeur.

Depuis que nous savons que le neutrino a une masse nous pouvons désormais affirmer que, dans la problématique de la masse cachée de l'Univers il compte pour une fraction aussi importante (quoique faible) que la partie lumineuse .

Il devient ainsi clair que les physiciens nucléaires, des particules et les astrophysiciens, sont intéressés à la problématique du neutrino. Pour tenter de comprendre mieux cette particule nous sommes amenés à nous poser d'autres questions :

Cela dit il reste encore des questions sans réponses au sujet du neutrino

• Le neutrino est-il stable?
• Le neutrino existe-t-il sous différentes espèces ?
• Est-il à lui-même son antiparticule ?

5°) L'Astronomie neutrino

A côté de la physique du neutrino qui consiste à en mesurer les paramètres essentiels encore inconnus ainsi qu'à en déterminer la nature, il est apparu une branche nouvelle de physique : « l'astronomie neutrino »:

Fig. 12 - Le détecteur ANTARES pour voir les neutrinos d'origine très lointaine

Au début du siècle, notre compréhension de l'univers est faite essentiellement par des observations visuelles dans le domaine optique, puis avec les radio-télescopes la fenêtre de sensibilité s'est élargie couvrant ainsi une gamme plus grande d'ondes électromagnétiques.

Avec la détection des rayons infra-rouges, ultraviolets, X, et même des gammas de plus haute énergie, nous couvrons un plus large spectre de « visibilité » de l'univers qui nous entoure. Le neutrino, qui nous parvient depuis le coeur des étoiles, est un nouveau témoin de la structure de notre univers. Voir le ciel à l'aide des neutrinos veut donc dire avoir accès à des informations fondamentales et supplémentaires sur le destin et la formation de notre Univers. C'est la raison pour laquelle nous assistons à un engouement récent pour l'astronomie neutrino.

L'astronomie neutrino, en gestation depuis la première détection des neutrinos solaires dans les années 60, est née à la fin des années 80 avec la détection non prévue, dans plusieurs détecteurs au même instant, des neutrinos émis par la supernova SN1987A dans le grand nuage de Magellan. Cette astronomie comporte l'observation des neutrinos de basse énergie issus du soleil aussi bien que ceux de plus haute énergie en provenance des supernovae ou même des galaxies proches.

Elle a déjà constaté certaines anomalies, en particulier celle des neutrinos solaires.

En effet lorsque, en 1968, le chimiste (bel exemple d'interdisciplinarité) Ray Davis rendit compte de ses premières observations « indirectes » de neutrinos venus du soleil nous étions confrontés à un problème sérieux : après comparaison avec les modèles il semblait y avoir un déficit indiscutable et important de neutrinos en provenance du soleil.

Le Soleil fonctionnait-il bien comme nous le pensons depuis les années 50 ? Ou le neutrino se transformait-il d'une espèce en une autre sur son parcours Soleil -Terre ? (Oscillations ?) Nous savons aujourd'hui qu'il s'agissait bien d'un avatar du neutrino qui doit donc être massif.

Nous avons alors assisté peu à peu à la reconversion d'un certain nombre de détecteurs installés en sites souterrains qui, à part le détecteur de Ray Davis à Homestake (South Dakota), étaient destinés à détecter des désintégrations de proton pour en mesurer la durée de vie.

Une série d'expériences pour détecter les neutrinos solaires allait se mettre en place qui ont confirmé le déficit et ont fourni la solution après plus de trente ans de fonctionnement .

Toujours plus ambitieuse, l'astronomie neutrino ne fait donc que commencer et, en ce début de siècle il est très probable que s'installeront des expériences au sol ou sous marines (fig 12) destinées à la détection de neutrinos stellaires et extragalactiques .