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LE NEUTRINO:
QU'EST-CE QUE C'EST ?

C'est rien, quasiment rien. Comme dirait F. Reines, c'est "...la quantite de reel la plus tenue jamais imaginee par un etre humain". Malgre cela (ou a cause de cela!), cette particule ne cesse de poser des questions aux physiciens et de donner des maux de tetes a ceux qui veulent la detecter.

Au sein du modele standard

Apres beaucoup de travail, d'erreurs ou de reussites, les physiciens des particules ont fini par obtenir un modele relativement satisfaisant, permettant de decrire les particules qui composent la matiere et la facon dont elles interagissent. Ce modele, appele "Modele Standard", a reduit considerablement le nombre de "briques elementaires" constituant la matiere; ces briques semblent aussi belles que celles que, vers 400 av.JC, le philosophe Democrite appelait "atomes".

D'apres le Modele Standard, 12 particules composent la matiere: 6 quarks (nom farfelu choisi a partir d'une nouvelle de James Joyce) et 6 leptons (du mot grec leptos qui signifie leger, tenu).


Mis a part le neutrino nutau, toutes ces particules, leptons ou quarks, ont ete mises en evidence experimentalement, grace aux accelerateurs de particules ou grace aux chambres a bulles. Leur existence possede donc un trone experimental bien stable. A chaque lepton charge (electron, muon, tau) est associe un lepton neutre ou neutrino (nu_e pour l'electron, nu_mu pour le muon, nu_tau pour le tau). De meme, les quarks sont appariés par paires.
Au sein du modele standard, le neutrino est de masse nulle, de charge nulle et de spin 1/2. Il se presente sous les trois visages precedemment cites. Tout cela a des airs de parfait dossier bien ordonne. En fait, beaucoup de questions importantes le concernant ne sont pas encore resolues experimentalement.

L'insaisissable neutrino

Le neutrino, sous leurs trois visages nu_e, nu_mu, nu_tau, ont garde depuis 1956 (date de leur premiere mise en evidence experimentale) beaucoup de mysteres. Nous connaissons 4 interactions fondamentales entre les particules: l'interaction forte, l'interaction electro-magnetique, l'interaction faible et l'interaction gravitationnelle. Le neutrino n'est concerne que par l'interaction faible, ce qui lui permet par exemple de traverser la Terre entiere quasiment sans dommage et de n'interagir au mieux qu'une fois sur un milliard dans les appareils gigantesques construits pour le detecter.

Aujourd'hui, en 1996, les trois questions d'il y a 56 ans restent ouvertes:


Voici un tres court resume des connaissances experimentales en 1998 sur le neutrino:

Spin Masse Moment magnetique Section efficace sur Nucleon a 1 GeV
nu_e 1/2 < 2.8 eV < 5.8 10-20 MeV/T environ 10-38 cm2
nu_mu 1/2 < 170 keV < 4.3 10-20 MeV/T environ 10-38 cm2
nu_tau 1/2 < 18.2 MeV < 3.1 10-17 MeV/T environ 10-38 cm2

L'etonnant neutrino

De plus, le neutrino semble avoir une propriete remarquable: son spin a toujours une direction opposee a son mouvement (on dit qu'il est d'helicite gauche). L'anti-neutrino est lui toujours d'helicite droite (spin dans la direction du mouvement).

Cette hypothese fut imaginee en 1956 par T.D. Lee et C.N. Yang et confirmee peu apres par messieurs Ambler, Hayward, Hoppes, Hudson et madame Wu, observant l'assymetrie des electrons dans la desintegration beta du Cobalt 60 (Phys. Rev. 105, 1413 (1957)).

A moins queMajorana ait raison (neutrino identique a l'anti-neutrino) ou que le neutrino soit massif, la regle suivante est adoptee: un neutrino est toujours d'helicite gauche et un anti-neutrino est toujours d'helicite droite.

Cette assymetrie, nous la retrouvons avec emerveillement dans le monde macroscopique de la vie, ou quasiment tous les acides amines sont de chiralite gauche, tandis que l'ADN n'utilise que des sucres de chiralite droite.

Les phenomenes biologiques et les interactions faibles sont, semble-t-il, les seuls processus physiques qui different de leur image dans un miroir



L'oscillant neutrino:

Les quarks ne sont pas independant les uns des autres, il existe un certain "melange quantique" entre eux. De meme, les neutrinos nu_e, nu_mu et nu_tau, s'ils etaient massifs, pourraient etre melanges quantiquement: un neutrino voyageant dans l'espace serait alors un peu nu_e, un peu nu_mu et un peu nu_tau.

Cette oscillation entre familles de neutrinos permettrait d'expliquer le deficit observe dans le flux de neutrinos en provenance du soleil et peut etre une excellente signature experimentale de la masse des neutrinos. De nombreuses experiences aupres des reacteurs nucleaires ou des accelerateurs de particules ont tente cette voie depuis plus de 20 ans, en vain jusqu'a present. Mais, depuis 1996, les indices s'accumulent en faveur d'une oscillation des neutrinos.

Acceder a la masse des neutrinos en tentant de detecter d'eventuelles oscillations n'est pas chose aisee. Cette mesure indirecte depend de deux parametres: l'angle de melange "quantique" entre les familles de neutrinos concernees et la difference des carres de leurs masses.

et

Un resultat d'experience recherchant l'oscillation neutrino est souvent represente sur un graphique ou l'on porte en fonction de .

Une relation simple donne la probabilite d'oscillation entre les deux types de neutrinos
(par exemple nu_e et nu_mu):


ou L est la longueur (en metres) necessaire pour une oscillation et E l'energie (en MeV) des neutrinos produits. Vous remarquerez que plus le neutrino est leger, plus la longueur necessaire a l'oscillation est grande. Ainsi, un neutrino nu_e de masse 0.001 eV/c2, provenant du soleil (donc d'energie egale a quelques MeV) et oscillant avec un neutrino nu_mu de masse 0.1 eV/c2 sera devenu nu_mu au bout de 400 metres et redeviendra nu_e apres 800 metres.



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Last update: 26/06/1999 : http://wwwlapp.in2p3.fr/neutrinos/nkes.html
Didier Verkindt