Les Neutrinos nous attaquent!

Bon, je ne sais pas pourquoi, mais le mot « neutrino » plait beaucoup aux gens de mon entourage mais personne ne sais vraiment qu’est ce qu’un neutrino, donc cet article a pour objectif d’expliciter un peu ce mot qui désigne une particule pour le moins étrange et encore assez mal connue par les physiciens des particules…

Evidemment, avant tout il faut savoir ce qu’est une particule, et cet article ne va pas s’étendre sur ce point et expliquer le modèle standard qui nécessite 10 pages d’explication. On dira pour être simple et clair : toute la matière  (de votre cerveau à vos chaussures en passant par les carottes) est constituée de molécules faites d’atomes qui eux mêmes sont constitués de particules dites élémentaires.

Ex : une molécule d’eau (H₂O) est composée de 2 atomes d’Hydrogène et d’un atome d’Oxygène. L’atome d’Hydrogène est composé d’un proton (constitué de 3 quarks) et d’un électron. (ici les particules élémentaires sont les quarks et l’électron)

Les particules élémentaires possèdent 3 caractéristiques les définissant selon la théorie qui s’appelle le modèle standard : 

• Sa masse (en général on explicite la masse en énergie, bah oui, Einstein a dit E=mc² donc masse et énergie sont strictement équivalentes
• Sa charge électrique
• Son spin. Le spin c’est en gros, mais alors très gros, la rotation de la particule sur elle-même, mais attention c’est une métaphore. Disons que ça caractérise une particule au même rang que sa masse et sa charge électrique mais que c’est autre chose…

Pour faire un peu d’histoire, le neutrino a été imaginé dans les années 1930 par Wolfgang Pauli et Enrico Fermi pour régler des problèmes d’observations… Lors de mesures pendant la désintégration de noyaux radioactifs, la conservation de l’énergie n’était pas respectée. En effet, un des fondements de la physique et de la chimie est le principe de conservation de l’énergie, comme disait Lavoisier en chimie : « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme ». En physique des particules, c’est la même chose, une grosse particule peut éclater et donner de nouvelles particules (Fission nucléaire) ou des particules peuvent s’assembler pour en former une autre (Fusion nucléaire). Donc pendant ces expériences, il manquait un « morceau » d’énergie qui disparaissait dans la nature, que personne ne pouvait détecter, Pauli a alors imaginé quelque chose qui paraissait très bizarre pour l’époque : « il doit y avoir une autre particule qu’on ne détecte pas » et Fermi lui a donné le nom de « neutrino » pour symboliser un « petit neutron » car la charge électrique de cette particule introuvable devrait être nulle et sa masse très faible voire nulle avec un spin de ½. Après maintes expériences, les conclusions étaient que ce neutrino devait très peu interagir avec la matière et sa détection était alors très difficile, il faut un détecteur gigantesque et disposer d’une source de neutrinos très importante. Dans les années 50, cette source tant recherchée est apparue : la bombe Atomique ou les réacteurs nucléaires. C’est donc en 1956 qu’est identifié (assez faiblement certes) le premier neutrino par Reines et Cowan près d’un réacteur nucléaire aux Etats-Unis, soit 25 ans après la supposition de son existence!

On est maintenant sûr de notre formule respectant la conservation de l’énergie :

Neutron = Proton + Electron + (anti)Neutrino

Le premier faisceau de neutrinos a été construit au CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire) au début des années 1960. En 1973, la chambre à bulles « Gargamelle » dans le faisceau de neutrinos de l’accélérateur a permis au CERN de faire l’une des plus importantes découvertes, appelée « l’interaction à courant neutre »: les neutrinos peuvent interagir avec une autre particule tout en restant des neutrinos.

Evidemment, c’était trop simple, désormais plusieurs types (saveurs) de neutrinos existent, il y a des neutrinos de muon (v_m) , d’électron (v_e)  et de tauon (v_t). C’est le CERN en 1989 qui a montré qu’il n’en existe pas d’autres. Les premières théories élaboraient une masse nulle pour le neutrino, ce qui ne choque pas

à première vue, ceci est bien illustré par le fait que chaque homme sur terre est traversé chaque seconde par la quantité énorme de 400 000 milliards de neutrinos provenant du soleil. Les neutrinos traversent notre planète avec une très faible probabilité d’interaction avec la matière, ce qui démontre en même temps leur innocuité et la difficulté de les intercepter dans une expérience de physique.. Mais désormais, la donne a changé avec les expériences récentes qui se déroulent, particulièrement l’expérience Super-Kamiokande (http://neutrino.kek.jp) au Japon (qui a reçu un prix Nobel en 2002) qui a montré que les neutrinos peuvent se « transformer » en différentes saveurs (v_m,v_e v_t) au cours de leur vie et cela n’est possible que si le neutrino possède une masse (en fait il oscille en changeant de saveur) ! La photo de gauche représente le détecteur en question. Cette expérience japonaise étudie les neutrinos provenant d’explosions de supernovae ou du reste de l’Univers qui dégage une fabuleuse quantité de neutrinos. Le fait que les neutrinos possèderaient une masse arrange beaucoup de monde, et les astrophysiciens voient en cette découverte peut être une esquisse de réponse à la masse cachée de l’Univers (pour ceux qui ne sont pas au courant on a un gros problème dans notre Univers, il y a 80% de la masse de l’Univers qui est introuvable et que l’on appelle « matière sombre »).

Le CERN développe également une nouvelle expérience nommée CNGS (http://proj-cngs.web.cern.ch/proj-cngs/) car au cours des collisions provoquées dans l’accélérateur, des neutrinos sont créés, en général on ne les détecte pas car cela demanderait trop de matériel et le but n’est pas celui-ci dans l’avenir, ils sont simplement déduits… Néanmoins, un faisceau de neutrino a été créé artificiellement (ne me demandez pas comment) pour être expédié à travers la Terre à Gran Sasso en Italie à 730 km de Genève (voir dessin) pour des expériences sur l’oscillation des neutrinos et mieux comprendre cette théorie découverte par les observations de Super-Kamiokande. Pourquoi si loin ? parce que les neutrinos doivent parcourir un certain chemin pour fournir des résultats intéressants, c’est pas en restant confinés entre la Suisse et la France qu’ils vont nous donner des infos utiles.

Bref, le neutrino est une particule élémentaire neutre qui possède une masse très faible en interagissant très peu avec le reste matière. Ils sont créés lors de désintégrations nucléaires dans les étoiles, les supernovae, les bombes A, les réacteurs nucléaires… Leur apparition dans l’Univers s’est fait il y a 15 milliards d’années et ils constituent le bruit de fond cosmologique qui est le rayonnement le plus vieux (dans le temps et donc le plus loin dans l’espace) jamais observé très peu de temps après le supposé BIG-BANG. Voir l’article « La création du monde a t-elle été guidée par une forme quelconque d’intelligence, et peut-on identifier cette intelligence à un dieu créateur ? »pour plus d’info à ce sujet.

Quand vous vous coucherez ce soir pensez aux 400 000 milliards de neutrinos qui vont vous transpercer chaque seconde !