Les Chinois en Tête dans la Course aux Neutrinos !

Les chinois sont désormais parmi les meilleurs dans la course aux neutrinos. Il n'a fallu aux physiciens chinois que 55 jours pour produire une mesure très précise d'un des 5 paramètres fondamentaux régissant l'oscillation des neutrinos, savoir l'angle de mélange dénommé théta 13.

Jusqu'à présent, on connaissait relativement bien 4 de ces 5 paramètres, les deux écarts de masse entre les trois saveurs et deux des trois angles de mélange (paramètres qui décrivent comment se mélangent les différents neutrinos). Il restait à mesurer le plus précisément possible ce dernier théta 13. Plusieurs expériences dans le monde sont dans la course, que ce soit auprès de réacteurs comme l'expérience Double Chooz en France ou RENO en Corée du Sud, ou bien en utilisant des faisceaux de neutrinos comme T2K au Japon, ou MINOS aux Etats-Unis.

site de la centrale nucléaire de Daya Bay.

Mais grâce à leurs détecteurs plusieurs fois plus imposants que ceux de leurs concurrents (100 tonnes) et un bon flux d'antineutrinos électroniques produit par six réacteurs de près de 3 GW, les physiciens chinois de Daya Bay ont pu mesurer l'angle théta 13 avec une bonne précision en moins de deux mois et trouvent une valeur de 8.8° +- 0.8. Les expériences concurrentes n'avaient jamais pu atteindre une précision aussi bonne.

Cette mesure consiste à mesurer le flux d'antineutrinos qui sort des réacteurs nucléaires à deux ou plus différentes distances. La différence de flux mesurée entre les deux localisations des détecteurs donne très directement une valeur de l'angle de mélange recherché.

L'élément clé qui a permis aux chercheurs chinois de doubler leurs concurrents sur le fil est sans conteste la taille de leurs détecteurs. Un mois de prise de données à Daya Bay correspond à 4 mois à Double Chooz, par exemple. Il se trouve aussi que l'expérience T2K japonaise a dû être brutalement interrompue le 11 mars 2011 du fait du terrible  tremblement de terre/tsunami. S'il n'avait pas eu lieu, les japonais auraient atteint aujourd'hui cette même précision.

Détecteurs utilisés à Daya Bay

Le fait que théta 13 ne soit pas égal à zéro est très encourageant pour la suite des événements. En effet, cela rend possible les recherches pour savoir si les neutrinos et les antineutrinos oscillent de la même manière. Ce comportement potentiellement différent entre particules et antiparticules leptoniques est crucial. Il est dénommé dans le jargon la violation de parité CP. Et si elle est avérée, cette violation de CP dans le secteur leptonique pourrait permettre de comprendre l'asymétrie semblant exister entre matière et antimatière dans l'Univers. C'est donc un résultat avec des implications non négligeables.

La Chine joue désormais dans la cour des grands en physique des particules. Et c'est un juste retour des investissements consentis par le gouvernement chinois qui n'a pas hésité à inciter fortement ces scientifiques de haut niveau émigrés aux Etats-Unis notamment de revenir travailler en Chine, en finançant aisément les recherches. L'expérience de Daya Bay a coûté environ 35 millions de dollars, dont les deux-tiers payés par la Chine, le restant l'étant par une collaboration de plusieurs pays (Etat-Unis, Russie, Taiwan, Rép. Tchèque).

Les quatre années qui viennent à Daya Bay vont être consacrées à mesurer encore avec plus de précision les paramètres du neutrino. Suite à cette phase, de nouveaux détecteurs devraient être positionnés à 60 kilomètres des réacteurs, pour cette fois-ci permettre de déterminer la hiérarchie des masses des trois neutrinos, qui est encore inconnue aujourd'hui.

Les chinois seront là encore en concurrence avec les japonais (T2K) et les américains (NoVA), mais l'expérience acquise et leur détermination semble d'ores et déjà  leur donner des ailes, pour le plus grand bénéfice de la science...

Source : Science 16 March 2012  Vol. 335 no. 6074 pp. 1287-1288

Les Anomalies Fécondes du Neutrino

On s’en souvient, en septembre dernier, les physiciens de l’expérience OPERA située au laboratoire souterrain du Gran Sasso en Italie annonçaient lanouvelle incroyable que les neutrinos avaient une vitesse supraluminique, supérieure à celle de la lumière. Cela consistait en une énorme anomalie vis-à-vis de ce qui était couramment admis. Et de fait, il semble bien qu’il s’agisse d’une simple erreur expérimentale.

Mais le neutrino, cette particule furtive, depuis sa « naissance » théorique puis sa découverte expérimentale, a toujours montré de nombreuses anomalies, qui ont été à l’origine de plusieurs révisions ou création de nouvelles lois physiques.

Revenons un instant sur l’histoire tumultueuse des neutrinos, ces particules qui baignent l’Univers à raison de  1 milliard de neutrinos pour un proton…

Naissance compliquée

Tout d’abord, il faut rappeler que la naissance du neutrino elle-même est le fruit de l’observation d’une forte anomalie dans le phénomène de radioactivité béta.

La radioactivité béta a été découverte à la fin du 19^ème siècle, un noyau d’atome se transforme en un autre noyau en émettant un électron (en fait un neutron du noyau se transforme en proton dans cette décroissance). La particule béta est l’électron.

Wolfgang Pauli en 1951

Dans les années 1910, les physiciens se sont rendu compte que s’il n’y avait qu’un électron émis dans cette désintégration, les lois de conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement n’étaient pas conservées, mais violées…

Personne ne comprenait ce phénomène et ce n’est qu’en 1930 que le physicien Wolfgang Pauli proposa une solution pour remédier à cette anomalie : il suffisait que le noyau émette en même temps que l’électron une seconde particule, neutre, pour que les lois de conservation soient rétablies.

Cette nouvelle particule devait en revanche être très légère et interagir très faiblement avec la matière environnante.

Personne n’avait jamais vu de particule ayant ces caractéristiques et personne ne savait comment pouvoir détecter une telle particule, à tel point que pendant longtemps les physiciens ont estimé que sa détection était impossible...

Observation expérimentale grâce à l'énergie nucléaire
Ce n’est qu’en 1956 qu’il fut possible de mettre en évidence expérimentalement le neutrino, grâce au développement des réacteurs nucléaires de production d’électricité aux Etats-Unis. En effet, les réactions nucléaires de fission produisent une quantité importante d’isotopes radioactifs produisant des antineutrinos électroniques lors de désintégrations béta.

Télégramme annonçant à W. Pauli la découverte du neutrino. (CERN)

Ces réacteurs produisent de l’ordre de 300 milliards d’antineutrinos par cm² et par seconde.
Les  physiciens Clyde Cowan et Frederick Reines ont construit un détecteur pour détecter ce flux de neutrinos et l'ont placé près du réacteur de Savannah River en Caroline du Sud et ont pu détecter pour la première fois ces particules imaginées 25 ans plus tôt.

Cowan a disparu en 1974, mais Reines reçut le prix Nobel en 1995 pour cette découverte.

Mais la plupart des neutrinos (ou antineutrinos) qui nous traversent à chaque seconde ne proviennent pas des réacteurs nucléaires construits par l’Homme, mais plutôt du gros réacteur thermonucléaire qui nous éclaire chaque jour, le Soleil.

Anomalie des neutrinos solaires

Pour fixer un ordre de grandeur, il faut savoir que chaque seconde, l’ongle de votre petit doigt est traversé par 65 milliards de neutrinos solaires, chaque seconde !

Évidemment, depuis que l’on a compris l’origine de l’énergie du Soleil dans les années 30, on cherche à le comprendre de mieux en mieux, et la détection des neutrinos du Soleil est importante pour tirer des informations sur le fonctionnement interne de notre étoile. 

C’est ainsi que très tôt certains astrophysiciens se sont spécialisés dans l’observation des neutrinos solaires en en mesurant le flux arrivant sur Terre. Et en 1964, les pionniers Ray Davis et John Bacall ont construit un détecteur de neutrinos solaires au fond de la mine de Homestake dans le Dakota du Sud. Le choix d’un laboratoire souterrain était rendu indispensable pour s’affranchir du bruit de fond dû aux interactions du rayonnement cosmique (muons principalement).

Ces premiers résultats ont tout de suite montré l’existence d’une anomalie. Il manquait une certaine quantité de neutrinos vis-à-vis de ce qui était attendu par les modèles théoriques du fonctionnement interne du Soleil… Une quantité non négligeable puisqu’il aurait dû être détecté trois plus de neutrinos…

Les spécialistes du soleil et ceux des particules se sont combattus de longues années pour savoir qui se trompait. En vain. Personne ne faisait erreur.

Ils oscillent bel et bien

L’existence de différents types de neutrinos avait été découverte dans les années 60. Mais le phénomène possible d’oscillation d’une saveur de neutrino à l’autre ne fut proposé qu’à la fin des années 60. Cette théorie ne gagna pas un grand intérêt dans la communauté des physiciens… jusqu’à ce qu’elle devienne une solution parfaite pour mettre d’accord les astrophysiciens solaires et les physiciens des particules… 

Intérieur du détecteur Kamiokande (Japon)

Si il manquait des neutrinos électroniques, ils devaient avoir disparu durant leur trajet entre le soleil et la Terre. Enfin, pas complètement disparus, disparus sous leur forme initiale, mais toujours là sous une autre forme. Les neutrinos sont en fait des particules composites qui possèdent plusieurs saveurs en eux-mêmes! Ils peuvent être à la fois de type électronique, muonique ou tauiques.... C'est le phénomène d'oscillation qui fut introduit pour les neutrinos d'une manière tout à fait judicieuse et efficace

Ces autres saveurs de neutrinos ne pouvaient pas être détectées par les détecteurs…

Lorsque de nouveaux détecteurs capables de mesurer les trois types de neutrinos ont été construits, l'écart a entièrement disparu.

Le phénomène de l’oscillation des neutrinos a une énorme implication, outre le fait d’expliquer des anomalies de flux : il repose sur le fait que les trois types de neutrinos possèdent chacun une masse différente. Ce qui veut dire une masse différente de zéro. Alors qu’il était couramment admis que le neutrino était sans masse, il est devenu évident dans la moitié des années 1990 que le neutrino avait bel et bien une masse, et chaque neutrino une masse différente, le plus léger étant le neutrino électronique et le plus lourd le neutrino tau.

Anomalie des neutrinos atmosphériques
Une nouvelle anomalie apparut dans les années 1980, un peu en même temps que celle concernant les neutrinos solaires, c’est l’anomalie dite des neutrinos atmosphériques. Des neutrinos sont produits dans la haute atmosphère par des réactions de muons cosmiques qui interagissent avec les noyaux d’atomes d’oxygène et d’azote. Comme les neutrinos interagissent ensuite très peu avec la matière, on s’attend généralement à en observer autant venant du ciel que du sol (ces derniers étant produits dans l’atmosphère aux antipodes et traversant la Terre de part en part.

C’est un peu par hasard que des physiciens cherchant à mesurer la durée de vie du proton dans des laboratoires souterrains ont eu besoin de connaitre les flux de neutrinos atmosphériques provenant de différentes directions et ont mesuré des écarts très important entre les deux directions : un facteur 2 !... 

Cette anomalie fut résolue par l’apport de nouveaux phénomènes physiques associés à l’oscillation des neutrinos, en y ajoutant l’effet de la matière traversée par les neutrinos : l’effet MSW (Mikheyev–Smirnov-Wolfenstein), qui indique que l’oscillation des neutrinos est modifiée par la matière qu’ils traversent, un peu à l’image d’un indice de réfraction pour la lumière… 

Cet effet MSW fut évidemment repris dans les calculs des neutrinos solaires pour tenir compte de l’hydrogène traversé par les neutrinos au cœur du Soleil et permit d’accorder encore mieux les calculs et les mesures.

Détecteur LSND (Los Alamos)

Mais une autre anomalie apparut bien vite.

Une nouvelle anomalie...

En 1993, les scientifiques de Los Alamos (Etats-Unis) construisirent un détecteur pour l’étude des oscillations : le LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector).

L’expérience LSND reste célèbre parmi les physiciens, parce qu’elle a vu un petit excès d’antineutrinos électroniques provenant apparemment de nulle part.

La seule possibilité permettant d’expliquer les flux de neutrinos observés à LSND est de proposer l’existence d’un quatrième neutrino (voire d’avantage), qui oscillerait toujours comme ces congénères, mais aurait la subtile caractéristique d’être stérile, c'est-à-dire n’ayant aucune interaction avec la matière, autre que la gravitation…

Évidemment, l'existence d'un quatrième neutrino jetterait un doute sérieux sur les modèles actuels de la physique des particules. Mais il pourrait aussi aider à expliquer certains problèmes encore non résolus, tels que les détails des réactions nucléaires qui apparaissent lors des explosions de supernovæ.
Cependant les résultats de LSND ne sont pas admis par toute la communauté des physiciens des particules, même si une expérience récente lancée en 2002, MiniBoone, a apporté des résultats allant dans le même sens que ceux de LSND en détectant un excès de neutrinos à faible énergie…

Anomalie des neutrinos de réacteurs

Et l’existence de ces hypothétiques neutrinos stériles est relancée par une nouvelle anomalie, celle appelée l’ « anomalie des neutrinos de réacteurs ». C’est grâce à la détection des neutrinos de réacteurs nucléaires que les neutrinos ont été identifiés formellement en 1956. Et depuis des expériences de mesure de flux de neutrinos ont eu lieu dans tous les pays (ou presque) équipés de réacteurs nucléaires.

Schéma du détecteur IceCube (Antarctique)

Et ce qui est observé partout est une petite différence systématique entre le flux mesuré et le flux attendu d’après les modèles prenant tous les paramètres en compte (réactions nucléaires, transport des particules, oscillations à faible distances…) : il manque environ 6% de neutrinos. Cette anomalie des neutrinos de réacteur pourrait elle aussi être expliquée par l’existence d’un quatrième ou un cinquième neutrino, lui aussi stérile…

Une fausse anomalie

Puis vint la dernière anomalie en date de 2011 avec un excès de vitesse, mais qui fut résolu sans avoir besoin de nouvelles théories en seulement quelques mois, à l’aide semble-t-il d’une bonne connexion de fibre optique.

On le voit, le neutrino est une particule féconde en physique, et il n’est pas impossible qu’elle le reste autant au 21^ème siècle qu’elle ne le fut au 20^ème.

Déjà de nouvelles expériences de grande taille sont imaginées notamment aux Etats-Unis pour mieux comprendre la physique du neutrino. En Europe et en Asie, de nombreuses expériences sont en cours ou à l’étude et l’oscillométrie des neutrinos est devenue une branche de la physique des particules à part entière.

Il n’est pas exclu qu’une fois apprivoisé et bien compris, le neutrino puisse être exploité par l’Homme, comme le fut la radioactivité au 20^ème siècle, dont il reste un acteur invisible mais fondamental.

L'oscillométrie des neutrinos, nouvelle branche de la physique

Vous n'avez peut-être encore jamais entendu parler de l'oscillométrie. Mais vous risquez d'en entendre parler dans les mois et années qui viennent. L'oscillométrie est une nouvelle branche de la physique des particules qui est juste en train d'éclore...

Comme le nom l'indique, l'oscillométrie consiste à mesurer une oscillation. Une oscillation ? Oui, l'oscillation des particules qui oscillent. Mais quelles sont les particules qui oscillent ? Et bien.. Les neutrinos!

Les neutrinos existent sous trois saveurs différentes assez bien connues (encore que...) : le neutrino électronique, le neutrino muonique et le neutrino tauique, et peut être aussi une quatrième voire une cinquième saveur, ces deux dernières étant un peu spéciales car elles correspondraient à des neutrinos "stériles", c'est à dire qu'ils n'interagiraient avec rien (sauf la gravitation, quand même, et c'est crucial)...

Une découverte fondamentale des années 1990 a été l'existence d'une oscillation des neutrinos : un neutrino de l'une des trois saveurs (celles qu'on connait) peut se transformer en l'une des deux autres saveurs. Cette oscillation intervient dans le temps et l'espace au cours du trajet du neutrino.

Probabilité d'oscillation pour un neutrino électronique.

Si nous avons au départ un neutrino électronique, il se transformera en neutrino muonique puis redeviendra neutrino électronique, avec une certaine période spatiale. Le nombre de neutrinos électroniques variera donc en passant par des minima et des maxima dans l'espace.

C'est la mesure précise de cette période d'oscillation que l'on appelle désormais l'oscillométrie.

Et il se trouve que la période d'oscillation dépend des propriétés fondamentales des neutrinos, mais aussi de leur énergie cinétique, qui peut être très variable. Tout le problème de l'oscillométrie est de pouvoir mesurer avec précision ce qui se passe (les maxima et minima) sur plusieurs périodes. Et pour ça, pour travailler sur des distances raisonnables (quelques mètres à quelques dizaines de mètres), c'est à dire utiliser des détecteurs de cette taille, il faut absolument des neutrinos de faible énergie.

Il faut donc les fabriquer spécifiquement, et pas uniquement étudier ceux que nous produisent le soleil ou les réacteurs nucléaires par exemple.

La deuxième spécificité nécessaire pour une bonne oscillométrie de précision c'est de travailler avec des neutrinos qui ont une et une seule énergie cinétique (on parle alors de neutrinos monoénergétiques).

Comment faire ?

Et bien c'est possible et même relativement simple! Le salut de l'oscillométrie passe par la physique nucléaire et la radioactivité. Il existe plusieurs modes de radioactivité, certains sont bien connus comme la radioactivité alpha, béta ou gamma. Mais il existe un mode de décroissance radioactive un peu moins connu du grand public qu'on appelle la capture électronique. Elle consiste pour un noyau instable à absorber un électron de son cortège électronique; un proton du noyau devient alors un neutron et un neutrino électronique - monoénergétique - est émis simultanément...

D'autre part, les noyaux radioactifs de ce type ont le plus souvent le bon goût de produire des neutrinos dont l'énergie est de quelques centaines de keV "seulement", ce qui est bien en adéquation avec une période d'oscillation de quelques mètres...

Projet de détecteur LENA (Low Energy Neutrino Astronomy).

L'élément radioactif de choix pour l'oscillométrie s'appelle le Chrome-51, qui est un isotope du Chrome ayant une période radioactive de 28 jours et qui produit des neutrinos de 757 keV. Le chrome-51 ne se trouve malheureusement pas au coin de la rue, mais en revanche, nous avons suffisamment de réacteurs nucléaires qui peuvent être utilisés pour fabriquer ce type de sources radioactives, il suffit de plonger du Chrome-50 dans le flux neutronique du réacteur pour en ressortir du Chrome-51 par des réactions de capture neutronique.

Il s'agit donc d'une histoire subtile de captures... capture neutronique pour produire l’élément radioactif qui va ensuite faire des captures électroniques et produire ces neutrinos électroniques monoénergétiques à mesurer par oscillométrie.

Et le détecteur me direz-vous ? Comment mesure-t-on le nombre de neutrinos qui se baladent ? Le principe envisagé (pour le moment) est de détecter le nombre de neutrinos électroniques sur plusieurs mètres ou dizaines de mètres par les interactions de diffusion qu'ils produisent sur les électrons de la matière du détecteur.

Tels des boules de billards, les neutrinos produisent des chocs élastiques avec les électrons du milieu et ces derniers subissent alors un léger recul. Ce sont ces reculs d'électrons qui sont détectés via l'ionisation ou la scintillation qu'ils produisent dans le milieu détecteur, et ce tout le long de la trajectoire des neutrinos qui oscillent d'une saveur à l'autre. Et comme seuls les neutrinos électroniques jouent au billard avec les électrons, on peut mesurer assez facilement les creux et les bosses de la population des neutrinos électroniques, une belle mesure oscillométrique...

Ces détecteurs sont soit gazeux soit liquides, imaginés pour le moment soit sous forme d'une sphère de quelques mètres de diamètre (projet NOSTOS notamment), ou soit sous forme d'un cylindre de plusieurs dizaines de mètres de longueur (on peut citer par exemple le projet allemand LENA avec son cylindre de 100 m de longueur...). Il peuvent être des détecteurs polyvalents dont l'objectif principal est de détecter des neutrinos de diverses sources : astrophysiques, solaire, faisceaux venant du Cern, etc... mais aussi de pouvoir accueillir une source radioactive de neutrinos monoénergétiques bien spécifique comme celle mentionnée ci-dessus.

Là où l'oscillométrie devient extrêmement importante, c'est dans son pouvoir (sur le papier pour l'instant) de mettre en évidence la ou les deux autres saveurs potentiellement stériles de neutrinos. Si ces neutrinos stériles existent, l'oscillométrie sur des neutrinos de faible énergie comme ceux du Chrome-51 pourrait en révéler l'existence expérimentalement (non pas en les détectant directement mais en mesurant une oscillation anormale des neutrinos "classiques", car évidemment, ils oscilleraient entre eux).

Et ces neutrinos stériles, étant plus massifs que les trois classiques, peuvent être une solution très intéressante pour expliquer une partie (peut-être grande) de cette matière noire qui peuple majoritairement l'Univers et que nous n'arrivons toujours pas à éclaircir...

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