Neutrino
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Caractéristiques physiques

Les neutrinos sont des particules élémentaires appartenant aux leptons (fermions de spin ½). Il en existe donc trois saveurs, une pour chaque famille de leptons :

  • le neutrino électronique ou neutrino-électron νe,
  • le neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.) muonique ou neutrino-muon νμ,
  • le neutrino tauique ou neutrino-tau ντ.

Ils sont appelés d’après le 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 signifiant « léger » et se réfère à la faible masse...) qui leur est associé dans le modèle standard. Le neutrino a une charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un...) nulle et son hélicité est gauche (le spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse...) pointe dans la direction opposée au mouvement ; hélicité droite pour l’antineutrino) comme l’a démontré l’expérience de M. Goldhaber et ses collègues en 1958.

L’une des interrogations majeures au sujet du neutrino concerne la nature de la relation entre le neutrino et l’antineutrino :

  • si le neutrino est une particule de Dirac, comme le sont les autres fermions élémentaires du modèle standard, le neutrino et son antiparticule (A chaque type de fermions fondamentaux correspond un type d'antiparticule. Ainsi, à l' électron est associé au positron, et les quark, à leurs antiquark. La première antiparticule observée, un antiélectron (positron) produit par la...) sont deux particules différentes ;
  • si le neutrino est une particule de Majorana, le neutrino et l’antineutrino sont une seule et même particule.

Cette nature implique un certain nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de conséquences importantes, par exemple au niveau de l’asymétrie matière-antimatière de l’Univers.

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 physique des particules. L'unité de section...) d'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...)

Les neutrinos ne possédant pas de charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de conservation.) ni de 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).), ils interagissent uniquement par interaction faible (la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) bien que présente est négligeable). Leur section efficace d’interaction (sa probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités est un sujet de grande importance donnant lieu à de...) d’interagir) est donc très faible car il s’agit d’une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les...) à courte portée.

La section efficace d’un neutrino de 1 GeV comparée à celle d’un 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.) et d’un proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) de même 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.) est approximativement dans le rapport 10 − 14 / 10 − 2 / 1. Sur 10 milliards de neutrinos de 1 Mev qui traversent la 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...), un seul va interagir avec les atomes (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...) constituant la terre. Il faudrait une épaisseur d’une année-lumière (L’année-lumière (symbole al, anciennement année de lumière) est une unité de distance utilisée en astronomie. Une année-lumière est la distance parcourue par un photon (ou plus simplement la lumière)...) de plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole viennent du latin...) pour arrêter la moitié des neutrinos de passage.

Les détecteurs de neutrinos contiennent donc typiquement des centaines de tonnes d’un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...) et sont construit de telle façon que quelques atomes par jour (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...) interagissent avec les neutrinos entrant. Dans une 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...) qui s’effondre, la masse volumique (Pour toute substance homogène, le rapport de la masse m correspondant à un volume V de cette substance est indépendante de la quantité choisie : c'est une caractéristique du matériau appelée masse volumique: ) dans le noyau devient suffisamment élevée (1014grammes/cm³) pour que les neutrinos produits puissent être retenus un bref moment.

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 l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la...)

Dans le modèle standard minimal, les neutrinos n’ont pas de masse. Mais des expériences récentes, notamment celle de Super-Kamiokande (L'expérience Super-Kamiokande, situé au Japon près de la ville de Mozumi, consiste en un immense cylindre de 40m de haut et 40m de diamètre rempli de plus de 50 000 tonnes d'eau ! Son emplacement dans...) en 1998 et celle menée à l’Observatoire de Neutrinos de Sudbury depuis 1999, ont montré que les neutrinos peuvent, par l’intermédiaire d’un phénomène appelé « oscillation du neutrino », se transformer continuellement d’une forme de saveur (électronique, muonique ou tauique) en une autre. Ce phénomène n’est possible que si les neutrinos possèdent une masse et que celle-ci est différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une...) pour chaque saveur. La découverte de ce phénomène a permis de fournir une solution au problème des neutrinos solaires.

La masse des neutrinos est très faible, le plus lourd aurait une masse inférieure à 0,23 eV/c2 d’après les contraintes cosmologiques apportées par le satellite (Satellite peut faire référence à :) WMAP et les modèles cosmologiques actuels, combinées aux résultats des expériences d’oscillations.

Un autre problème en astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des...) qui concernait les neutrinos est celui de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide,...) sombre, la masse « manquante » de l’univers selon certaines théories. En effet, l’univers semble contenir beaucoup plus de matière que celle qui est détectable par le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) qu’elle émet. Cette matière qui n’émet pas de 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...), d’où le terme matière sombre, est toutefois détectable par l’influence gravitationnelle qu’elle exerce sur la matière visible comme les étoiles et les galaxies (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs la suite de deux autres Galaxie, cette fois au singulier.), et, jusqu’à récemment, on pensait que si les neutrinos possédaient une masse ils pourraient peut-être constituer la matière sombre. Toutefois, selon les connaissances actuelles, la masse des neutrinos est bien trop petite pour que les neutrinos puissent contribuer à une fraction significative de l’hypothétique matière sombre.

Naissance

D’après les connaissances actuelles, les premiers neutrinos seraient apparus 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 leur chemin. Théoriquement, ils forment aujourd’hui un fond de rayonnement cosmique de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle...) égale à 1,9 kelvin. Les autres neutrinos que l’on trouve dans l’univers sont créés au cours de la vie (La vie est le nom donné :) des étoiles ou lors de l’explosion des supernovae.

La majeure partie de l’énergie dégagée lors de l’effondrement d’une supernova est rayonnée au loin sous la forme de neutrinos produits quand les protons et les électrons se combinent dans le noyau pour former des neutrons. Ces effondrements de supernova produisent d’immenses quantités de neutrinos. La première preuve expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et politique. En science, il s'agit...) de ceci fut fournie en 1987, quand des neutrinos provenant de la supernova 1987a ont été détectés par les expériences japonaise et américaine Kamiokande et IMB.

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