La mesure de la masse des neutrinos
Publié par Publication le 18/09/2004 à 19:13
Les neutrinos électroniques ue sont produits lors des réactions de désintégration beta: N -> p + e- + anti(ue)

Depuis la fin des années 70, la mesure de la masse du ue est réalisée à partir des spectres de désintégrations beta. Dans une désintégration beta (Le genre Beta appartient à la famille des Chénopodiacées, tribu des Cyclolobae.), on mesure avec un spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant d'étudier de décomposer une quantité observée — un faisceau lumineux en spectroscopie, ou bien un...) magnétique l'impulsion ou l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) des électrons qui s'échappent. Cette énergie présente l'allure d'un spectre continu qui va de zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr, d’abord transcrit zefiro en italien) est un symbole marquant une position vide dans l’écriture des nombres en notation...) à une valeur maximale égale à la différence d'énergie entre l'atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement constitué d'un...) père et l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. La théorie...) fils. C'est là où le neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.) intervient: s'il a une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et...), même s'il sort de la désintégration avec une impulsion nulle, il faudra soustraire la valeur de cette masse à l'énergie maximale possible de l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.). L'existence des neutrinos a d'ailleurs été postulée par Pauli pour que le principe de conservation de l'énergie soit vérifié lors de cette désintégration. Le spectre des électrons sera donc légèrement modifié. En 1936, un physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les relient. Le mot physicien dérive...) américain, Frank Kurie, propose une représentation graphique simple du spectre des électrons. Cette représentation graphique est en fait une droite obtenue en traçant la racine carrée (La racine carrée d’un nombre réel positif x est le nombre positif dont le carré vaut x. On le note ou x½; dans cette expression,...) du nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'événements divisé par le carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses quatre côtés ont la même longueur et ses quatre angles la même mesure. Un carré est à la fois un rectangle et un...) de l'impulsion en fonction de l'énergie de l'électron.


Fig. 2: Diagramme de Kurie représentant la mesure de l'énergie de l'électron issu d'une désintégration beta
Si le neutrino a une masse, la droite observée expérimentalement doit s'incurver avant de couper l'axe des abscisses
D'après "La lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement liée à la...) des neutrinos" par Michel Cribier, Michel Spiro, Daniel Vignaud éditions du Seuil 1995 Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents de la Marne et de la Seine en...)

Si le neutrino a une masse, si faible soit-elle, la droite s'incurvera légèrement et interceptera l'axe un peu avant la valeur maximale possible. La différence entre ces deux valeurs représentera simplement la masse du neutrino. Cependant au niveau expérimental les choses sont un peu plus compliquées, pour au moins trois raisons. La première est que le point (Graphie) ou la droite va intercepter l'axe correspond à un nombre d'événements très faibles, il faudra donc que l'appareil fonctionne suffisamment longtemps, au risque d'avoir des dérives systématiques qui nuiraient à la fiabilité (Un système est fiable lorsque la probabilité de remplir sa mission sur une durée donnée correspond à celle spécifiée dans le cahier des charges.). La seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du...) est que la précision des mesures doit être meilleure que la masse du neutrino que l'on cherche à mesurer. Or le meilleur spectromètre a ses limites. La troisième est que les atomes radioactifs dont on mesure la disparition se trouvent, en général, à l'intérieur d'un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union...) et que les électrons risquent d'y perdre un peu de leur énergie avant d'en sortir. Bref il va falloir beaucoup de patience et de ruse aux expérimentateurs pour réduire les sources d'incertitude.

A l'heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y...) actuelle la plus précise de ces mesures permet d'atteindre une limite supérieure de 8 eV pour la masse des neutrinos mais pas de minoration pour cette masse.

Cependant au plus profond du brejnévisme, un petit groupe de Moscou (), dirigé par le professeur Lyubimov, a attiré l'attention en annonçant avoir mesuré une déformation de l'extrémité du spectre des électrons issus du tritium (Le tritium (T ou 3H) est - comme le deutérium - l'un des isotopes de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 2 neutrons. Il a été...). L'équipe soviétique conclut que le neutrino ue a une masse comprise entre 16 et 46 eV. Le tritium analysé provenait d'une feuille (La feuille est l'organe spécialisé dans la photosynthèse chez les végétaux supérieurs. Elle est insérée sur les tiges des plantes au niveau des...) de valine (une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente...) organique). Le principal problème provient de la validité de l'approximation (Une approximation est une représentation grossière c'est-à-dire manquant de précision et d'exactitude, de quelque chose, mais encore assez...) atomique utilisée pour décrire la molécule de valine qui supporte le tritium. Tous les auteurs sont d'accord pour dire que le spectre des électrons provenant de la désintégration d'un atome de tritium est différent de celui d'un tritium piégé dans un complexe moléculaire compliqué. Les divergences portent sur le résultat du calcul. D'où une controverse car d'autres groupes ont atteint la même sensibilité sans pour autant voir l'effet attendu. Il n'est donc pas possible d'attribuer beaucoup de crédit à cette expérience.

De plus avec la majoration de 8 eV (obtenue par une équipe américaine de Los Alamos et une équipe japonaise de Tokyo) il semble que nous atteignions les limites de ce que nous pouvons apprendre en utilisant cette méthode directe. On voit difficilement d'ailleurs comment améliorer la résolution des spectromètres pour gagner encore un ordre de grandeur, c'est-à-dire descendre la limite, ou mesurer, en dessous de 1 eV.

Cependant la supernova (Une supernova est l'ensemble des phénomènes conséquents à l'explosion d'une étoile, qui s'accompagne d'une augmentation brève mais fantastiquement grande de sa luminosité. Vue depuis...) SN1987A nous a permis de vérifier cette majoration de masse. L'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette transformation s'effectue rapidement, plus la matière...) d'une supernovae est en effet quasi instantanée: elle ne dure qu'une dizaine de secondes. L'énergie des neutrinos émis va de quelques MeV à quelques dizaines de MeV, avec une moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des...) d'une quinzaine de MeV. Si les neutrinos sont massifs, les plus énergétiques voyageront un peu plus vite. On observera à la fois un étalement de leur arrivée dans le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) par rapport à ce qui est prévu et le spectre de l'énergie en fonction du temps sera déformé. Cette méthode souffre néanmoins de lourdes incertitudes (notamment au niveau des modèles d'explosion de supernovae et à cause du faible nombre de neutrinos détectés), c'est pourquoi elle ne permet que de vérifier l'ordre de grandeur des majorations obtenues précédemment. Par cette méthode on obtient:


La méthode directe permet, d'une façon analogue, de majorer la masse des neutrinos muoniques et tauiques. Cependant les incertitudes associées à ces mesures sont plus grandes encore car elles mettent en jeu un plus grand nombre de particules. Par ces méthodes on obtient:


En définitive on constate qu'il semble que l'on ait atteint les limites de la méthode directe, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) du moins vis à vis des technologies disponibles. Cette méthode ne nous permet pas, à l'heure actuelle de trancher sur la question de la masse des neutrinos. C'est pourquoi d'autres techniques sont utilisées pour tenter de percer le secret de la masse des neutrinos.
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