- 1. « L'expédient » de Pauli et l’hypothèse du neutrino
- 2. La découverte des trois types de neutrinos
- 3. Les neutrinos et l'interaction électrofaible dans le modèle standard
- 4. Les oscillations de neutrinos
- 5. Que sont les neutrinos ?
- 6. Dirac ou Majorana ?
- 7. Des neutrinos stériles ?
- 8. Les neutrinos comme sonde de la matière
- 9. Les neutrinos, messagers de l'astronomie et de la cosmologie
- 10. Bibliographie
- 11. Sites internet
NEUTRINOS
Les oscillations de neutrinos
Après avoir étudié, dès les années 1950, la production de neutrinos dans divers réacteurs, le physicien américain Raymond Davis (1914-2006, Prix Nobel 2002) installe au début des années 1970 une expérience à 1 500 mètres de profondeur dans la mine d'or de Homestake (Dakota du Sud) pour identifier le passage des neutrinos issus du Soleil. Pour ce faire, il place un réservoir de 400 000 litres de tétrachloroéthylène et réussit à compter les atomes d'argon formés lors de la transmutation des noyaux de l'isotope 37 du chlore en l'isotope radioactif d'argon 37, induite par la collision d'un neutrino sur un neutron. En plus de vingt ans, Davis détecte ainsi environ 2 000 atomes d'argon et démontre que ce nombre correspond à un flux de neutrinos solaires deux fois inférieur à celui calculé par les experts du fonctionnement du Soleil.
Détection des types de neutrinos
Observatoire de Kamioka, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), Université de Tokyo
Ce problème de la perte des neutrinos solaires ne sera résolu que plus de vingt ans plus tard. En 1998, l'expérience conduite par le physicien japonais Masatoshi Koshiba (1926-2020, Prix Nobel 2002) dans une profonde mine de zinc à Kamioka, sous le mont Ikeno à l’ouest de Tōkyō, explique le déficit de comptage des neutrinos solaires comme dû à un phénomène d'oscillation entre les divers types de neutrinos ; certains des neutrinos électroniques émis par le Soleil se transforment spontanément en neutrinos muoniques pendant leur parcours vers la Terre, et ceux-ci ne sont pas repérés par l'expérience de Davis. Le détecteur japonais est un immense réservoir d'eau ultrapure, dont les parois sont tapissées de tubes photomultiplicateurs destinés à amplifier et enregistrer les signaux lumineux issus de particules chargées. Ce dispositif se révèle particulièrement adapté à la détection des leptons (électrons ou muons) issus des réactions induites par des neutrinos et il permet en comptant les électrons et les muons de distinguer le flux des neutrinos électroniques et muoniques atmosphériques, c'est-à-dire produits par les bombardements des rayons cosmiques sur les noyaux de la haute atmosphère. En mesurant le nombre d’électrons et de muons détectés après que les neutrinos ont interagi avec les noyaux atomiques présents dans ces 22 500 tonnes d’eau, les physiciens observent une dépendance significative du nombre de muons avec l’angle zénithal solaire. Ils l’interprètent comme la disparition de neutrinos de type muonique lorsque leurs trajectoires traversent le globe terrestre ; cette disparition est due à la longueur du trajet – variant de 15 km à 13 000 km selon l’angle zénithal. Il s’agit donc d’un phénomène quantique d’oscillation entre au moins deux états de la matière susceptibles de se mélanger, comme l'avaient anticipé dès les années 1960 les théoriciens Bruno Pontecorvo (1913-1993) et Vladimir Gribov (1930-1997). Ce résultat est confirmé en 2002 par l'équipe du physicien canadien Arthur McDonald (né en 1943, Prix Nobel 2015) à l'aide d'un détecteur sphérique de 12 mètres de diamètre contenant de l'eau lourde (D2O, D pour l’atome de deutérium, l’isotope lourd de l’hydrogène) ; leur résultat démontre qu'une part non négligeable des neutrinos émis par le Soleil se sont transformés en d'autres neutrinos pendant leur voyage vers la Terre.
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Écrit par
- Bernard PIRE : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau
Classification
Médias
Détection des types de neutrinos
Observatoire de Kamioka, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), Université de Tokyo
Expérience de Tokai à Kamioka
SLAC
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