Les neutrinos sont si petits et interagissent si peu avec la matière qu’il faudrait 9461 milliards de kilomètres d’épaisseur de plomb pour en stopper 1 sur 2 !

 

Le neutrino est une particule qui a été définie théoriquement avant d’être observée pour de vrai. On a supposé qu’elle devait exister avant même de la voir ! Balaise non ?

Les neutrinos interagissent tellement peu avec la matière et sont si petits qu’ils peuvent traverser la Terre sans même percuter un atome ! Il faudrait une année lumière (soit 9461 milliards de kilomètres) d’épaisseur de plomb pour en stopper la moitié ! La « non interaction » est la cause principale de cette traversée sans encombres, merci à @cestmoidaniel d’avoir attiré notre attention sur notre manque de clarté initiale.

Ils se déplacent presque aussi vite que la lumière et n’ont pas d’interactions électromagnétiques, donc ils n’interagissent pas avec la lumière donc… on ne peut même pas les voir. Leurs seules interactions sont avec la gravité et la radioactivité.

Pour le détecter on remplit un grand réservoir d’eau. Il arrive, rarement mais ça arrive quand même, qu’un neutrino malchanceux percute un noyau d’atome d’oxygène contenu dans le réservoir. Vous savez sans doute que rien ne peut aller plus vite que la lumière dans le vide, en revanche, comme la lumière ralentit dans l’eau, au moment où le neutrino percute le noyau d’atome, le noyau émet une particule chargée qui part comme une balle à une vitesse plus importante que celle de la lumière dans l’eau, oui ça c’est possible. À ce moment-là, c’est un peu comme si cette particule (qui ressemble plus ou moins à un électron) passait le mur du son, sauf qu’au lieu de faire « bang! » comme un avion qui passe mach 1 dans l’air, la particule émet un rayonnement (appelé rayonnement de Tcherenkov), que l’on détecte et observe.

Les neutrinos sont si légers que jusqu’alors aucun scientifique n’avait pu démontrer qu’ils avaient une masse !… Jusqu’au 5 juin 1998.

 

Le neutrino est si petit qu'il traverse presque tous les atomes qu'il croise sans les toucher

 

On va vous raconter leur histoire.

Sachez qu’un atome radioactif a pour propriété d’être instable et de se décomposer. Il envoie alors  des morceaux de lui-même un peu partout comme un gros sale, sous forme de particules et de rayons, pendant un certain temps en tout cas, jusqu’à ce qu’il  ait retrouvé une composition plus stable, à l’équilibre. Un peu comme quand vous vomissez parce que vous avez mangé un truc pas équilibré, ensuite vous  retrouvez votre équilibre et votre état stable… Beuark.

 

Décomposition radioactive bêta

émission β

 

Il y a parmi ces émissions une émission appelée bêta (symbole β). Quand vous vomissez c’est pareil, souvent il y a divers types de flux sortant, du solide et du liquide par exemple… Beaurk again.

Bon eh bien la radioactivité bêta c’est l’émission d’une particule de charge électrique élémentaire négative (l’électron) OU d’une particule de charge électrique élémentaire positive (le positron, qui a la même charge électrique que l’électron mais en positif). On les appelle respectivement β- et β+.

Voilà maintenant qu’on a dit ça, parlons un peu des lois de conservation. En physique, vous connaissez peut être la fameuse citation de Lavoisier « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme« . Grosso modo ça veut dire que dans l’ensemble, certaines propriétés d’un système physique se conservent, et que l’Univers possède certaines « symétries ».

Exemple : Au cours d’une réaction chimique, les réactifs du début se transforment et réagissent entre eux pour produire d’autres choses, eh bien ces « autres choses » réunies ont la même masse que les réactifs réunis en début de réaction. Ou bien encore votre image dans un miroir conserve votre apparence, bien qu’elle soit symétrique et différente de vous (oui différente, par exemple si vous êtes droitier votre reflet est gaucher).

Problème : En 1930, on découvre que la désintégration β ne respecte pas les lois de conservation !! Impossible pour un scientifique !! Donc Wolfgang Ernst Pauli postule, imagine qu’en fait la désintégration bêta ne peut pas seulement émettre un électron (ou positron). Elle DOIT émettre une autre particule, sans charge électrique et de masse très faible, qu’on ne voit pas, mais qui DOIT être là pour respecter le principe de conservation. Edoardo Amaldi lui donnera son nom : le neutrino (oui ça sonne bien en italien hein 😉 ).

Autre problème, le « modèle standard » de la physique considérait que la masse des neutrinos était nulle, or le nombre de neutrinos que nous détectons depuis 30 ans contredit cette hypothèse… sauf qu’on ne peut toujours pas les voir ni prouver qu’ils ont bien une masse, même très petite.

Comme jusqu’ici vous trouviez ça un peu facile, sachez que le neutrino existe en 3 saveurs (si si, pour distinguer différents types de ces particules élémentaires, on parle de saveurs :) : électronique, muonique et tauique).

Et bien ce mardi 6 octobre 2015 à midi heure française, Takaaki Kajita et Arthur B. McDonald viennent de se voir décerner le prix Nobel de physique pour avoir prouvé que les neutrinos ont une masse ! (Chose dont ils avaient déjà les premiers éléments de preuve rappelez vous en 1998, soit 17 ans plus tard).

Mais comment donc ont-ils fait ?!? Eh bien depuis les années 50, une théorie considère comme possible que les neutrinos puissent changer de saveur (j’adore ce mot :) ) au cours de leur propagation (on appelle ça des oscillations). Pour changer de saveur, ils ont besoin d’avoir une masse *. Or les chercheurs de l’Hyper-Kaminokande (ou « Super-K » pour les intimes) au Japon, qui travaillent à l’étude des neutrinos, ont mis en évidence depuis 1998 un déficit en neutrinos muoniques de basse énergie venant du Soleil et de l’atmosphère après avoir traversé la Terre (oui les neutrinos viennent du big-bang, du Soleil, de l’atmosphère, de l’explosion de supernovas, bref d’un peu partout). Plus un neutrino vient de loin moins il est énergique. Ceux ayant traversé la distance Soleil Terre, ou même juste la Terre sont donc moins énergiques que ceux venant de l’atmosphère du même côté que le bassin qui sert à les capter. Or il manque des neutrinos muoniques de basse énergie, ils ont donc dû se transformer en chemin. Hypothèse confirmée par l’observation qu’ils sont bien devenus des neutrinos tauiques (constatation faite ces dernières années par le CERN). Et si en venant de loin ils ont eu le temps de se transformer, cette transformation en elle-même est la preuve qu’ils ont une masse *.

* Pourquoi les oscillations des neutrinos impliquent qu’ils aient une masse ? Explication : En mécanique Newtonienne (classique), une force agissant sur un objet de masse nulle, s’il en était, lui imprimerait une accélération infinie et cet objet irait alors à la vitesse de la lumière dans le vide. Or les neutrinos sont soumis à la gravité donc à une force, donc s’ils étaient sans masse devraient se déplacer à la vitesse de la lumière dans le vide. Lorsque l’on se déplace à la vitesse de la lumière, en relativité le temps ne s’écoule plus, or les neutrinos naissent avec une saveur bien spécifique et en changent au cours de leur propagation (en fait peu à peu ils deviennent un mix de saveurs, une superposition, jusqu’à en changer complètement). S’ils changent de saveur, c’est qu’ils sont soumis à l’expérience du temps et qu’ils ne vont donc pas à la vitesse de la lumière, sinon ils seraient « figés » dans le temps (mais pas dans l’espace). S’ils ne vont pas à la vitesse de la lumière dans le vide après avoir été soumis à une force gravitationnelle, alors leur masse n’est pas nulle. Je vous donne ici l’explication que je préfère sans faire de maths relatives à la mécanique quantique (particules modélisées par des fonctions d’onde, qui se propagent, superposition d’états, probabilités, masse propre, valeurs propres). Cependant si vous aimez les maths et l’anglais, vous avez les équations ici : Oscillation des neutrinos.

L’infiniment petit à très haut niveau ce sont environ 2000 chercheurs, des installations très coûteuses supportées par plusieurs pays à la fois. En Europe nous avons le CERN qui est très compétent sur le sujet et des installations de pointe (accélérateur de particules).

Côté américain, petite mention spéciale à Vera Rubin, Nobélisable elle aussi et qui espérons le sera un des prochains lauréats pour son apport considérable à la science en général.

Pourquoi est-ce si important ?

– Déjà, cela pourrait impliquer qu’il existe d’autres types de neutrinos que nous ne voyons tout simplement pas. C’est embêtant quand on veut connaitre l’univers (enfin ceci dit c’est déjà un progrès en soi).

– Il se pourrait aussi que les neutrinos soient des particules de Majorana (qui sont à la fois particules ET leurs propres anti-particules, oui ça se complique un peu et ce sera peut-être l’objet d’un autre de nos articles).

– Et même au final une explication possible de la matière noire et de la masse manquante de l’univers.

Et puisque j’ai été très bavard, on est plus à ça près, une petite digression sur le Kaminokande. Kamioka est aujourd’hui un quartier de la ville Japonaise de Hida mais était jusqu’en 2004 une ville indépendante. NDE est l’acronyme de « Nucleon Decay Experiment » qui se traduirait en Français par « Centre d’expérimentation de la décomposition des nucléons * » Kamioka + NDE a donné Kamiokande. Voila pourquoi l’Hyper-Kamiokande s’appelle… l’Hyper-Kamiokande.
* Un nucléon est une particule constitutive du noyau de l’atome.

Leave a Reply

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *

La modération des commentaires est activée. Votre commentaire peut prendre un certain temps avant d'apparaître.

4 comments