L Btissam Drissi

Lab/UFR Physique des Hautes Energies
Faculté des Sciences Rabat,

 

D’après les connaissances actuelles, les neutrinos sont nés il y a environ 15 milliards d’années, peu après la naissance de l’univers. Depuis, l’univers n’a cessé de s’étendre, de se refroidir et les neutrinos ont fait de même. En plus de ces neutrinos qui sont les plus anciens, d’autres nous parviennent en grande quantité du Soleil, des explosions d'étoiles (supernova) ainsi que des centrales nucléaires où une bonne partie des combustibles qui produisent l'énergie sont utilisés par les neutrinos.
Mais en fait, l'existence des neutrinos n’a été postulée que dans les années trente par Pauli. Ces particules de spin 1/2 et de masse nulle ont permis de résoudre les problèmes de la désintégration beta. Leur étude expérimentale a commencé dans les années cinquante et se poursuit encore de nos jours. Cette longévité en physique des particules expérimentale est liée à leur détection difficile et aux énigmes qu'ils présentent.
De la désintégration bêta au neutrino
Après la découverte de la radioactivité en montrant que l'uranium émet des rayonnements inconnus jusqu'alors. Les physiciens purent distinguer trois types de rayonnements par la suite. L'un d'entre eux, le rayonnement bêta, fut identifié à l'émission d'électrons par certaines substances radioactives. Après la découverte du noyau atomique, on expliqua l'origine des rayonnements par une transformation, une transmutation d'un noyau instable possédant beaucoup d'énergie en un autre plus stable possédant moins d'énergie. L'énergie ne pouvant disparaître, la différence d'énergie entre le noyau père et le noyau fils, toujours la même, devait nécessairement se trouver dans le « rayonnement » émis lors de la transmutation. Par conséquent, on s'attendait à ce que ce rayonnement possède toujours la même énergie, celle correspondant justement à la différence d'énergie entre les noyaux père et fils. Mais contrairement aux attentes, on constate en 1914 que les électrons « bêta » issus d'une même source radioactive ne possèdent pas toujours la même énergie !
Ainsi la question suivante avait persisté :
Comment l'électron pouvait-il posséder parfois beaucoup d'énergie, d'autres fois nettement moins, alors qu'il était censé emporter avec lui la totalité de la différence d'énergie entre les noyaux père et fils ? Fallait-il abandonner la loi de conservation de l'énergie ?
Non, fut la bonne réponse déclarée alors, puisque l'électron sort du noyau avec un compagnon non détecté. Pour W. Pauli, l'énergie totale libérée par le noyau n'est donc pas entièrement emportée par l'électron mais plutot elle est partagée entre deux particules : l'électron et une particule fantôme hypothétique dans le temps, qui fut baptisée « le neutrino ».
Les caractéristique des neutrinos

Les neutrinos sont des particules élémentaires appartenant au modèle standard. Ce dernier est depuis les années soixante-dix un cadre théorique qui décrit les particules élémentaires et leurs interactions. Celles-ci se repartissent en deux catégories, les particules de matière ou fermions et les particules de force ou bosons. Cette distinction étant liée à leur spin (ou moment cinétique intrinsèque).
Ayant un spin demi-entier, les neutrinos font partie de la première catégorie. Plus particulièrement, ils appartiennent à la famille des leptons c’est a dire qu’ils ne subissent pas l’interaction forte qui assure la cohésion des noyaux des atomes, mais plutôt ils interagissent avec la matière via un autre type de force. Par ailleurs, cette famille est constituée de particules chargées (électron, muon, tau) auxquelles sont associées d’autres neutres qui ne sont autres que les neutinos, et qui existent en trois sortes ou, comme le disent les physiciens des particules, trois « saveurs » : le neutrino électronique ue, le neutrino muonique um, et le neutrino tauique ut. D’autre part, dépourvus de leurs charges électriques, les neutrinos n'interagissent avec la matière que par interaction faible. Par conséquent, cette faiblesse attribue aux neutrinos la propriété de rendre la matière presque transparente à leur égard. D’ailleurs, un neutrino d'un GeV (1 milliard d'électron-Volts) n'a environ qu'une chance sur 10 millions d'interagir en traversant la Terre. La probabilité d'interaction des neutrinos avec la matière croît avec l'énergie et les neutrinos produits lors du big- bang ont maintenant une énergie de l'ordre de 10-4 eV ; dans un univers fictif, homogène, de densité égale à la densité moyenne attribuée à l'Univers actuel (environ 10-7 proton par cm3), cette particule voyagerait 1032... années-lumière ! On comprend ainsi que les neutrinos produits lors du big-bang demeurent encore pour longtemps indécelables. Notons aussi que des milliards de neutrinos passent au travers de notre corps chaque seconde, mais seulement un ou deux neutrinos, de plus haute énergie, seront diffusés par notre corps durant notre vie toute entière.
Les énigmes liées au neutrino
Malgré les nombreuses expériences réalisées sur le sujet et en dépit des investissements réalisés à son égard, cette particule énigmatique qu’est le neutrino reste toujours aussi mystérieuse. En effet, plusieurs questions semblent ne pas trouver encore de réponses.
· Les neutrinos possèdent-ils une masse ?
Le principal problème posé par les neutrinos est de déterminer s'ils possèdent une masse surtout que les neutrinos dominent la masse totale de l'univers même si leur masse individuelle est estimée être très petite. Donc, le destin de l'univers dépend de la masse du neutrino.
Au sein du modèle standard leur masse est nulle mais rien ne permet de l’affirmer. C’est pourquoi, depuis leur mise en évidence expérimentale la recherche de la masse des neutrinos est l’une des principales préoccupations des physiciens des particules.
Cependant aucune expérience n’a encore aboutit et tout ce que l’on est en mesure de donner c’est des majorations de cette masse sans pouvoir préciser si ils sont massifs ou non .
· Le déficit de neutrinos solaires
Il est connu avec certitude que les neutrinos en provenance de notre soleil sont beaucoup moins nombreux que prévu. La théorie, qui rend compte par ailleurs avec une remarquable précision du fonctionnement du soleil, prévoit environ 64 milliards de neutrinos par seconde et par cm2, sur terre. Les détecteurs n'en observent pas plus de 40 milliards. Où sont passé les neutrinos manquant?
Les observations des neutrinos solaires et atmosphériques ont confirmé qu'au cours de son voyage, un neutrino pouvait changer son identité avec ses deux « frères jumeaux » ou autrement dit avec les deux autres neutrinos de saveurs muonique et tauique. Le fait que les neutrinos changent de saveur périodiquement au cours de leur voyage à travers l'espace, phénomène que l'on désigne sous le nom « d'oscillation », conforte les physiciens dans l'idée que les neutrinos ont une masse. En effet, l'observation des oscillations a pu révéler les différences de masse entre les neutrinos. Ainsi, cette oscillation entre familles de neutrinos qui permettrait d'expliquer le déficit observé dans le flux de neutrinos en provenance du soleil pourrait aussi être une excellente signature expérimentale de la masse des neutrinos. De nombreuses expériences auprès des réacteurs nucléaires ou des accélérateurs de particules ont tenté cette voie depuis plus de 20 ans, en vain jusqu’à présent.
Le déficit en neutrinos solaires est maintenant un fait établit, si les neutrinos sont massifs leur oscillation peut expliquer ce phénomène observé, si par contre il s’avère que les neutrinos ne sont pas massifs il faudra certainement revoir toutes nos théories qui expliquent le fonctionnement du soleil. Les enjeux sont donc considérables.
3. Les neutrinos possèdent-ils un moment magnétique?
Le moment magnétique est une quantité mesurable représentant le spin de la particule(c’est à dire le moment cinétique intrinsèque). Ce dernier est relié à la vitesse de rotation de la particule sur elle-même. Bien que des limites sur le moment magnétique du neutrino sont obtenues indirectement à partir des mesures auprès des accélérateurs de particules ou par des considérations d'astrophysique. Cependant rien ne permet encore de dire si les neutrinos possèdent ou non un moment magnétique.
4. Le problème de la matière noire dans l’univers

Depuis plus de 20 ans, un phénomène intrigue les astrophysiciens celui de la matière noire dans l’univers. Les mesures de la vitesse de rotation des étoiles dans les galaxies ont donne des résultats inattendus. Les étoiles à la périphérie des galaxies tournent plus vite que prévu. On mit parfois en doute la loi de la gravitation, on tenta d'inventer une hypothétique cinquième force... rien ne parvint à expliquer simplement cette vitesse trop élevée. Une autre explication est qu'il existe de la matière invisible, ou matière noire, orbitant autour et dans les galaxies et que l'on ne détecte qu'à travers ses effets gravitationnels. Si le neutrino était massif, il serait un bon candidat à la matière noire, car il remplit l'univers à raison de 330 neutrinos par cm3. En effet si la masse moyenne des neutrinos était de 10 eV alors la densité de l’univers atteindrait juste la densité critique pour laquelle son expansion est infinie dans le temps mais tend vers une vitesse nulle.
5-Le mystère des rayons cosmiques de très haute énergie
Depuis une trentaine d’années, un phénomène, dont la source est encore inconnue et que l'on nomme les rayons cosmiques, garde son mystère. Les rayons cosmiques de grande énergie sont des particules venues de l'univers et qui créent une immense gerbe de particules (pions, kaons, muons, électrons, neutrinos, photons...) en percutant notre atmosphère. Certains des rayons cosmiques détectés ont plus d’énergie qu'une balle de tennis au service, soit environ une dizaine de Joules. Cela fait beaucoup pour une seule particule. Si la particule devenait une balle de tennis, elle aurait alors une énergie 10 fois l’énergie que rayonne le soleil tout entier a chaque seconde. A l'heure actuelle, aucun phénomène cosmique connu n'est capable d’accélérer des particules jusqu’à de telles énergies. Certains physiciens pensent que ces particules de très haute énergie pourraient être des neutrinos. Mais d’où viennent-elles et comment font-elles pour avoir une telle énergie ?
Mystère.
En définitive il faut noter que la physique du neutrino ne consiste pas seulement à mesurer les paramètres essentiels encore inconnus dans la physique des particules, mais joue aussi un rôle fondamental dans le développement spectaculaire des autres branches de la physique.