Neutrino - Définition et Explications

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Introduction

Neutrinos
Propriétés générales
Classification Leptons
Composition élémentaires
Propriétés physiques
Masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) • νe : < 2,5 eV.c-2

• νμ : < 170 keV.c-2
• ντ : < 18 MeV.c-2

Charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de...) 0
Spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque...) ½
Durée de vie (La vie est le nom donné :) Stable

Le neutrino est une particule élémentaire (On appelle particules élémentaires les constituants fondamentaux de l'univers...) du modèle standard de la physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants...). C’est un fermion (Le modèle standard classe les particules élémentaires en deux grandes...) de spin ½.

Longtemps sa masse fut supposée nulle. Toutefois, des expériences réalisées en 1998 au Super-Kamiokande (L'expérience Super-Kamiokande, situé au Japon près de la ville de Mozumi, consiste en un immense...) ont montré que celle-ci, bien que très petite, est différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des...) de zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr,...).

L’existence du neutrino a été postulée pour la première fois par Wolfgang Pauli (Wolfgang Ernst Pauli (25 avril 1900 à Vienne - 15 décembre 1958...) pour expliquer le spectre continu de la désintégration bêta ainsi que l’apparente non-conservation du moment cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.).

Histoire

En 1930, confronté au problème du spectre en énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) de la désintégration β, Wolfgang Ernst Pauli invente le neutrino pour satisfaire le principe de conservation de l’énergie. Enrico Fermi (Enrico Fermi (29 septembre 1901 à Rome - 28 novembre 1954 à Chicago)...) lui donne le nom de neutrino en 1933 en l’incorporant dans sa théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) de l’interaction faible. Le neutrino est découvert expérimentalement en 1956, (c’est en fait l’antineutrino électronique, \overline{\nu_e} qui accompagne la formation d’un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) (conservation du nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) leptonique) lors de la transformation d’un neutron (Le neutron est une particule subatomique de charge électrique totale nulle.) en proton) par Frederick Reines (Frederick Reines (16 mars 1918 - 26 août 1998) est un physicien américain. Il est...) et Clyde Cowan auprès d’un réacteur nucléaire (Un réacteur nucléaire est un dispositif dans lequel une réaction en chaîne est...). En 1962, le neutrino muonique (νμ) est découvert à Brookhaven. En 1990, le LEP, au CERN, démontre qu’il n’y a que trois familles de neutrinos. Le neutrino tau (ντ) est découvert en 2000 dans l’expérience DONUT.

Types de détecteurs de neutrinos

Il y a plusieurs types de détecteurs de neutrinos. Leur principal point (Graphie) commun est d’être composé d’une grande quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) de matériel, étant donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire,...) la faible section efficace (Une section efficace est une grandeur physique correspondant à la probabilité d'interaction d'une...) d’interaction des neutrinos. Ils sont également généralement situés profondément sous terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) ou sous la mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.), afin de s’affranchir du bruit de fond (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son....) occasionné par le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) cosmique. On distingue notamment :

  • Les détecteurs au chlore furent les premiers employés et se composent d’un réservoir rempli de tétrachlorure de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) (CCl). Dans ces détecteurs, un neutrino convertit un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que...) de chlore en un atome d’argon. Le fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...) doit être purgé périodiquement avec du gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il...) qui enlève l’argon. L’hélium doit alors être refroidi pour le séparer de l’argon. Ces détecteurs avaient le désavantage majeur de ne pas déterminer la direction du neutrino entrant. C’est le détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change...) au chlore de Homestake, dans le Dakota du Sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.), contenant 520 tonnes de liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...), qui détecta la première fois le déficit des neutrinos provenant du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...) et qui permit de découvrir le problème des neutrinos solaires.
  • Les détecteurs au gallium sont semblables aux détecteurs au chlore mais sont plus sensibles aux neutrinos de faible énergie. Dans ces détecteurs, un neutrino convertit le gallium en germanium (Le germanium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Ge...) qui peut alors être détecté chimiquement. Ce type de détecteur ne fournit pas non plus d’information sur la direction du neutrino.
  • Les détecteurs à eau ordinaire, ou détecteur Čerenkov, tels que Super-Kamiokande. Ils sont constitués d’un grand réservoir d’eau pure entouré par des détecteurs très sensibles à la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...), des tubes photomultiplicateurs. Dans ces détecteurs, un neutrino transfère son énergie à un lepton (En physique des particules, un lepton est une particule élémentaire de spin 1/2 qui n'est...) chargé, qui se déplace alors plus rapidement que la lumière dans ce milieu, ce qui engendre, par effet Čerenkov, une production de lumière caractéristique permettant de remonter à la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et...) initiale de la particule. Les avantages de ce type de détecteur sont de détecter à la fois la direction du neutrino, sa saveur et son énergie. Il autorise également un large volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) de détection pour un coût minime, ce qui permet d’augmenter significativement le nombre de neutrinos détectés. C’est ce type de détecteur qui a enregistré le « sursaut » de neutrinos de la supernova (Une supernova est l'ensemble des phénomènes conséquents à l'explosion d'une...) 1987a.
  • Les détecteurs à eau lourde emploient trois types de réactions pour détecter les neutrinos : la même réaction que les détecteurs à eau légère, une réaction impliquant la collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de...) d’un neutrino avec le neutron d’un noyau de deutérium (Le deutérium (symbole 2H ou D) est un isotope naturel de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 1...), ce qui libère un électron, et une troisième réaction dans laquelle le neutrino casse un noyau de deutérium en proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire...) et neutron sans lui-même changer de nature. Les résultats de ces réactions peuvent être détectés par des tubes photomultiplicateurs et des détecteurs de neutrons. Ce type de détecteur est en fonction dans l’observatoire de neutrinos de Sudbury.
  • Les détecteurs à liquide scintillant, tels ceux des expériences Double Chooz et Kamland, permettent de détecter des neutrinos d’énergie de l’ordre du MeV. Ils sont en général pour cette raison utilisés pour détecter les neutrinos en provenance de centrales nucléaires. Le liquide scintillant permet de détecter très précisément l’énergie du neutrino, mais ne donne pas d’information quant à sa direction.
  • Le détecteur à film photographique OPERA (en), installé dans le tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de...) du Gran Sasso en Italie, détecte les neutrinos émis par un faisceau généré au CERN par une technique originale : des couches photographiques sont alternées avec des feuilles de plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et...), afin de détecter l’oscillation du neutrino muonique en neutrino tauique. Le développement des films photographiques permet de reconstruire la topologie (La topologie est une branche des mathématiques concernant l'étude des déformations spatiales par...) de l’interaction, afin d’identifier le tau issu de l’interaction du neutrino tauique.
  • Les détecteurs de double désintégration bêta : ils permettent de détecter le spectre de la double désintégration béta avec émission de 2 neutrinos, afin de chercher l’existence d’une double désintégration bêta sans émission de neutrinos, ce qui prouverait que le neutrino et l’anti-neutrino sont une seule et même particule (neutrino de Majorana, par opposition au neutrino classique, de Dirac). Ils sont de deux types : calorimétrique tels GERDA et CUORE, ils détectent seulement l’énergie totale de la double désintégration bêta pour reconstruire fidèlement le spectre d’énergie ; trajectographe-calorimètre pour l’expérience NEMO3 et le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a...) SuperNEMO, qui détectent le spectre en énergie et la trajectoire des deux électrons afin de rejeter le plus de bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son....) de fond possible.
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