La mesure de la masse des neutrinos
Le phénomène d'oscillation des neutrinos est une faculté, prévue par la mécanique quantique, qu'ils pourraient posséder si leur masse n'était pas nulle. Cette faculté leur permettrait de se transformer d'une espèce à l'autre: ainsi un neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.) électronique produit par le soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et composée d'hydrogène...) pourrait lors du trajet terre-soleil devenir un neutrino muonique. Cette transformation est réversible et présente un caractère périodique, d'où le nom d'oscillations.

La mise en évidence de ce phénomène d'oscillations permettrait d'affirmer que les neutrinos sont massifs. Cependant, là encore, les neutrinos ne semblent pas décidés à se laisser faire. En effet, pour mettre en évidence ce phénomène d'oscillations il faut tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) d'abord choisir la source qui nous fournira les neutrinos, mais à cause de la très faible section efficace (Une section efficace est une grandeur physique correspondant à la probabilité d'interaction d'une particule pour une réaction donnée de la physique nucléaire ou de la...) des neutrinos ce choix est relativement réduit car il faut une source la plus intense possible.

Ces sources peuvent êtres classées en deux familles, les sources "naturelles" et les sources artificielles. Parmi les sources naturelles, le soleil et les supernovae sont les principales. Les sources artificielles sont les accélérateurs de particules et les centrales nucléaires. Pour toutes ces sources, les énergies des neutrinos émis varient de quelques centaines de milliers d'électronvolts (neutrinos solaires) à quelques centaines de milliards d'électronvolts (accélérateurs de particules), chacune des sources n'ayant pas d'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.) bien définie mais plutôt une plage (La géomorphologie définit une plage comme une « accumulation sur le bord de mer de matériaux d'une taille allant des sables fins aux blocs ». La plage ne se limite...) d'énergie. Ceci ajoute encore aux difficultés rencontrées dans ce type de mesures.

Pour tenter de mettre en évidence ce phénomène on réalise deux types d'expériences. Dans la première, on produit des neutrinos d'une couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) , c'est à dire d'un type donné tel que:


Et l'on recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...) des neutrinos d'une autre couleur. L'expérience NOMAD (Neutrino Oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à amplitude constante soit amorties. Elles répondent aux mêmes équations quel que soit le domaine.) Magnétic Détector) qui a lieu au CERN en suisse est une parfaite illustration de ce principe.

Le but de NOMAD est d'observer l'apparition de ut dans un faisceau de um. Si tel est le cas, le résultat obtenu permettra d'affirmer que les neutrinos sont massifs avec tout ce que cela implique. De plus il s'agira (Agira est une commune italienne de la province d'Enna dans la région Sicile en Italie.) là de la première mise en évidence directe du ut (l'existence du ut est pour le moment prouvée de façon indirecte par l'énergie qui manque dans les processus où intervient son lepton (Un lepton est une particule élémentaire qui n'est sensible qu'à l'interaction électrofaible et à la gravitation. Le terme lepton provient du mot grec...) associé, le tau (ce qui permet de surcroît une majoration de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse...) des ut). Si aucun ut n'est observé, NOMAD repoussera les limites de la recherche sur les oscillations comme l'ont fait de nombreuses expériences ces dernières années.

Le faisceau de neutrinos est produit à partir de protons de 450 GeV extraits du synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) du CERN (SPS). Les protons interagissent dans une cible de béryllium et produisent des hadrons pions ou kaons qui se désintègrent essentiellement en muon (Le muon est, selon le modèle standard de physique des particules, le nom donné à deux particules élémentaires de charge positive et négative. Les...) et um. A la position de NOMAD, 940m plus loin, le faisceau est constitué de um à 93,9% (27 GeV d'énergie moyenne), d'anti(um) (5,3%) d'une petite contribution de ue (0,7%) et d'anti(ue) (0,2%). Les ut y sont pratiquement absents (proportion calculée de 10E-7). L'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très...) éventuelle d'interactions de ut dans le détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été...) signerait donc forcément une oscillation.


Fig. 3: Expérience Nomad

Les neutrinos interagissent, 1 km après la cible qui les a produits, avec les détecteurs NOMAD. On cherche alors à bien reconnaître l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) pour dire si c'est un ut ou un autre type de neutrinos qui a interagi. Si l'on peut reconnaître une interaction comme ut + n -> Z- + p puis Z- -> e- + anti(ue) + ut, on saura que le um a oscillé en ut.

En fait la preuve est statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de l'application d'une...) car le faisceau de um est contaminé dés le départ en ut, il faudra donc observer assez d'interactions de ut pour être certains de la présence d'oscillations.

Résultats

Le faisceau de neutrinos du CERN fonctionne depuis avril 1994. En 1994 le détecteur a été installé et testé. Au mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) d'août 1995, le détecteur était complet et environ 300 000 interactions de um ont été enregistrées. NOMAD a prit des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) au rythme de 500 000 interactions par an en 1996 et 1997.

Cependant l'analyse des résultats et leur interprétation prendra du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), en effet on ne peut raisonnablement s'attendre à observer au plus que quelques ut pendant toute la durée de l'expérience parmi les millions de um observés.

Dans le deuxième type d'expérience que l'on réalise pour tenter de mettre en évidence les oscillations des neutrinos on produit toujours des neutrinos d'une couleur et l'on compte combien on en retrouve à l'arrivée, dans l'espoir de détecter moins de neutrinos que ne le prévoit la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une...). Ces expériences utilisent principalement le flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens...) de neutrino que nous envoie le soleil, ce flux étant prédit par les modèles qui décrivent le soleil.

L'expérience Gallex qui se déroule sous la montagne (Une montagne est une structure topographique significative en relief positif, située à la surface d'astres de type tellurique (planète tellurique, satellites comme la...) du Grand Sasso entre la France et l'Italie fait appel aux neutrinos solaires.

Une enceinte contient 12,2 tonnes de Gallium 71 en solution, qui, lors d'une interaction avec un neutrino solaire, se transforme en Germanium 71, lequel est radioactif avec une demi-vie (La demi-vie est le temps mis par une substance (médicament, noyau radioactif, ou autres) pour perdre la moitié de son activité pharmacologique, physiologique ou radioactive. En...) de 11,43 jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début...). La totalité du Gallium 71, plus les quelques atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se...) éventuels de Germanium 71, est filtrée par un système chimique permettant de récupérer avec une grande efficacité et une grande pureté les atomes de Germanium 71, dont on détecte ensuite la radioactivité (La radioactivité, phénomène qui fut découvert en 1896 par Henri Becquerel sur l'uranium et très vite confirmé par Marie Curie pour le thorium, est un...). On compte ainsi le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'atomes de Germanium formés, donc le nombre d'interactions neutrinos qui se sont produites. On en déduit alors le flux de neutrinos solaires.

Résultats: les données prisent de mai 1991 à septembre 1993 donnent une moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des...) de 79 (± 11) SNU tandis que la théorie prédit 132 SNU (1 SNU = 1 interaction neutrino par 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...) pour 10E+36 atomes cibles). Soit un déficit en neutrinos de 40% .

Ces résultats mettent en évidence un autre des problèmes majeurs de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...) des neutrinos. En effet depuis 1975 et surtout depuis 1995, les physiciens savent 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 (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre...). Or les détecteur comme Gallex et Sage n'en observent pas plus de 40 milliards. Ce phénomène ne peut avoir que deux explications, soit le modèle qui décrit le fonctionnement du soleil, pourtant par ailleurs si valable, est erroné, soit quelque chose empêche les neutrinos d'arriver sur terre ou d'être détectés. C'est d'ailleurs ce qui a amené les physiciens a imaginer le phénomène d'oscillations qui permettrait aux neutrinos électroniques produits par le soleil de se dissimuler sous une autre couleur (nos détecteurs ne sont sensibles qu'aux neutrinos électroniques).

Cependant aucune expérience n'est pour l'instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une durée.) parvenue a mettre en évidence ces oscillations. De plus cette théorie semble imparfaite car dans le cas d'oscillations le déficit en neutrinos solaires observé devrait être encore plus important. C'est pourquoi on fait maintenant appel à ce que l'on nomme l'effet MSW (du nom de leurs inventeurs: S.P. Mikheyev, A.Yu. Smirnov et L. Wolfenstein). Cet effet indique que la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à...) de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace...) traversée par les neutrinos pourrait avoir une influence sur leurs oscillations (ainsi deux neutrinos qui auraient parcouru des distances égales pourraient, s'ils n'ont par rencontré la même densité de matière, ne pas avoir oscillé de la même façon).

De nombreux projets sont à l'étude pour tenter d'observer cet effet MSW et ainsi de percer le mystère de la masse des neutrinos. Par exemple on évoque la possibilité de diriger les faisceaux de neutrinos du CERN ou de FERMILAB vers les détecteurs souterrains gigantesques qui se trouvent un peu partout sur la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité la maintienne en équilibre...), et, pourquoi pas, aux antipodes (la quantité de matière (La quantité de matière est une grandeur de comptage d'entités chimiques ou physiques élémentaires. L'unité qui lui correspond est la mole.) traversée deviendrait alors suffisante pour espérer observer l'effet MSW). Le foisonnement de projets est tel qu'il semble que l'on puisse parler d'une "renaissance de la physique expérimentale (La physique expérimentale a pour but d'éprouver la valeur de vérité des théories physiques. La création d'un appareillage utilisant les principes des théories physiques,...) des neutrinos". Cependant il existe une autre piste pour tenter de percer le mystère de la masse des neutrinos, c'est la piste des doubles désintégrations beta (Le genre Beta appartient à la famille des Chénopodiacées, tribu des Cyclolobae.).
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