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Les neutrinos atmosphériques

Dossier - Les oscillations de neutrinos
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Le neutrino a été postulé en 1930 pour résoudre un problème majeur en physique : la conservation d’énergie. Son existence expérimentale n’a été prouvée qu’un quart de siècle plus tard. Depuis le neutrino occupe la scène avec ses nombreuses énigmes, or la détection, et donc la vérification des prédictions, en est particulièrement ardue. Cela nécessite des détecteurs très massifs. L’ultime problème résolu est celui de la masse des neutrinos : ont-ils ou n’ont-ils pas de masse ? Voyons comment la réponse est arrivée.

  
DossiersLes oscillations de neutrinos
 

Mais la contribution de SuperKamiokande ne s'arrêta pas en si bon chemin. Non seulement l'expérience vérifia les oscillations des neutrinos solaires, mais elle confirma celle des neutrinos atmosphériques précédemment suggérée par deux expériences plus modestes.

Coucher de soleil sur la Terre. © Qimono, CCO

Les neutrinos atmosphériques sont produits par le bombardement des rayons cosmiques primaires, qui ne sont autres que des protons d'énergie très élevée, sur les couches de la haute atmosphère. Lors de ces collisions, de nombreuses particules secondaires sont engendrées. Parmi elles, un grand nombre de particules se désintègrent.

Au niveau du sol, on obtient une averse de neutrinos des deux types, électronique et muonique, dans la proportion de 1 pour 2 du fait des processus connus de production. Ces neutrinos n'ont pas de direction privilégiée, ils proviennent de tous les horizons puisque l'atmosphère entoure la Terre d'une pelure à peu près uniforme et le flux de rayonnement cosmique est plus ou moins équivalent dans toutes les directions. Le détecteur SuperKamiokande est capable de distinguer des traces provenant d'électrons ou de muons.

Interaction de neutrino électronique
Interaction de neutrino muonique

Interactions de neutrinos dans Superkamiokande : voici les images obtenues avec ces deux types de neutrinos. © François Vannucci

L'expérience SuperKamiokande peut donc classer séparément les interactions de neutrinos électroniques et de neutrinos muoniques. Or, si le flux des neutrinos électroniques frappe le détecteur dans toutes les directions au niveau attendu par les calculs, celui des neutrinos muoniques montre une distribution dans laquelle les neutrinos traversant la Terre, c'est-à-dire ceux produits aux antipodes et arrivant par le bas dans le détecteur, semblent avoir disparu.

Neutrino muonique et tauique : étude de leurs oscillations

Ici aussi, le phénomène d'oscillations peut être invoqué : les neutrinos électroniques n'oscillent pas dans les conditions mises en jeu, au contraire les neutrinos muoniques oscillent quand ils se propagent sur des distances correspondant au diamètre de la Terre, soit 13.000 kilomètres, pour des énergies autour de 1 GeV en moyenne. Ceci n'est pas contradictoire avec le résultat obtenu à l'aide des neutrinos solaires où l'énergie détectée est beaucoup plus basse, environ 10 MeV, et la distance infiniment plus grande.

En effet, le paramètre discriminant pour la probabilité de l'oscillation est le rapport entre longueur parcourue et énergie. Le nouveau résultat s'interprète comme le signe de l'oscillation du neutrino muonique vers son compagnon tauique. Ce dernier résultat fut ultérieurement confirmé par une expérience construite dans un faisceau d'accélérateur où la connaissance fine du faisceau permet des analyses plus rigoureuses. L'expérience, toujours en opération, analyse le faisceau de neutrinos de haute énergie produit au Fermilab près de Chicago à l'aide d'un détecteur massif situé 730 kilomètres plus loin.