Cosmo SAF Lasserre neutrinos 18 jan 2014



Mise à jour le 25 Janvier 2014


CONFÉRENCE de Thierry LASSERRE
Physicien CEA Saclay DSM / IRFU
«LES NEUTRINOS DE L’UNIVERS»
Organisée par la SAF
Dans ses locaux, 3 rue Beethoven, Paris XVI

Le Samedi 18 Janvier 2014 à 15H00 à l'occasion de la réunion de la Commission de Cosmologie.

Photos : JPM pour l'ambiance. (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur. Voir les crédits des autres photos si nécessaire
(Le conférencier a eu la gentillesse de nous donner sa présentation complète (en pdf) elle est disponible sur le site de la commission et également disponible sur ma liaison ftp au téléchargement et s'appelle. Lasserre-SAF2014.pdf elle est dans le dossier COSMOLOGIE SAF de la saison 2013-2014).
Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me contacter avant.
Pour info les actualités cosmo présentées ce jour là sont aussi disponibles sur le site de la commission.



BREF COMPTE RENDU
La présentation nous ayant été donnée par le conférencier et étant très claire et très complète ce compte rendu sera succinct.
Je reprendrai par moment certains passages de compte rendus précédents.








Thierry Lasserre est physicien au DSM (Direction des Sciences de la Matière) au CEA Saclay, dans le service de le physique des particules.

L’ensemble fait partie d’une entité plus importante : l’IRFU, l’institut de recherches sur les lois fondamentales de l’Univers.

Il est aussi chercheur associé à l’APC (Astro Particules et Cosmologie).

Enfin c’est un de nos plus grands experts sur les neutrinos, notamment auprès de l’AIEA.

Il fait le point aujourd’hui sur les dernières découvertes concernant les neutrinos.





LA MATIÈRE DANS L’UNIVERS.

Si toute la matière semble être faite de neutrons, protons et électrons, on ne se rend peut être pas compte que cet ensemble est très minoritaire ; car pour chacune de ces particules, il y a 1 milliard de neutrinos.

Notre corps est traversé chaque seconde par 100.000 milliards de neutrinos solaires.
D’autre part, notre même corps contient 30 millions de neutrinos originaires du Big Bang !


L’ÉMERGENCE DU NEUTRINO.

Toutes les phases de la découverte du neutrino sont bien connues, on pourra consulter les références ci-dessous pour se les remémorer ; mais en quelques mots on peut dire :

Par rapport au nucléon (taille 10^-13 cm) le neutrino est beaucoup plus petit approx : 10^-16 cm.



Le neutrino a été découvert lors de l’étude approfondie de la radioactivité bêta.

La radioactivité bêta posait un problème, un électron était éjecté du noyau avec une énergie variable ce qui semblait prouver qu'une certaine quantité d'énergie était émise (conservation de l'énergie, une grande loi de la physique) mais non détectée.

Un noyau (A,Z) se transforme en un noyau (A,Z+1) avec émission d'un électron, mais on ne trouvait pas de trace d'une autre particule.







C'est Wolfgang Pauli, célèbre physicien Autrichien, qui en 1930 émit l'hypothèse qu'une particule neutre devait être émise en même temps que l'électron.
Cette particule, il l'appelle d'abord….neutron, mais quelques temps plus tard James Chadwick découvre la particule neutre qui compose le noyau, et qu'il va appeler neutron, alors cette nouvelle particule non encore détectée est baptisée par Enrico Fermi neutrino (petit neutre).
C’est en fait Fermi qui va élaborer la théorie de la désintégration bêta et la publie en 1934.

Que sait-on alors ?

Le neutrino interagit très très peu ; sa probabilité d’interaction avec un humain est par exemple de 10^-16 !!
Sa détection est pour le moins…..difficile !

On sait que parmi les quatre forces fondamentales de la nature : Gravitation, électromagnétisme, force forte et force faible, le neutrino n’est sensible qu’à la force faible (et à la gravitation comme tout le monde bien sûr).
Mais oublions la gravitation pour le moment.

Un neutrino sur 10.000 milliards est intercepté par la Terre, il faut donc un débit énorme de neutrinos si on veut en détecter quelques uns, alors où les trouver ?? Près d’une centrale nucléaire bien sûr !

Les fissions nucléaires en chaîne produisent en moyenne 10²¹ neutrinos (en fait des anti neutrinos) par seconde !

Et c’est en 1956 que Reines et Cowan détectent les anti neutrinos du réacteur nucléaire de Savannah River.

En effet, le réacteur éteint, on détecte un neutrino par heure, le réacteur en fonctionnement, quatre ! Donc c’est bien la preuve.



LE NEUTRINO ET LE MODÈLE STANDARD DES PARTICULES DE LA PHYSIQUE.


Il y a essentiellement deux types de particules élémentaires :

Les Fermions sont des particules liées à la matière, ce sont tout ce que l’on connaît : les atomes et les molécules

Les Bosons, sont les « messagers » des Forces de la nature (qui sont au nombre de 4) le photon est le plus connu de tous

Les Fermions sont partagés en trois familles (pourquoi trois ??? mystère pour le moment) de Quarks et Leptons :
Seule la première famille donne naissance à de la matière stable.


Au sein d’un atome, les différentes forces mises en jeu n’ont pas toutes le même poids, cette diapo nous montre justement leur rapport de force.	Leurs portées sont aussi très différentes.



Les neutrinos peuvent provenir de différentes sources :
· Les réacteurs nucléaires
· Les accélérateurs de particules (LHC…)
· La Terre
· L’atmosphère
· Le Soleil et les autres étoiles
· Les super novæ
· Les noyaux actifs de galaxies (AGN) ou accélérateurs astrophysiques
· Le Big Bang
· Moins connu : le corps humain grâce à ses 20mg de Potassium 40 émetteur bêta (300 millions d’anti neutrinos par jour)



LE MYSTÈRE DES NEUTRINOS SOLAIRES.

Il est très facile ( ??!!) de calculer le nombre de neutrinos émis par le Soleil.

NDLR : J’ai voulu voir si je pouvais arriver au résultat donné par Th Lasserre, je détaille :



On connaît la masse du Soleil : 2 10³⁰ kg ; son diamètre : 1,4 10⁶ km la puissance reçue sur Terre : 1344 W/m² en moyenne.

La distance de la Terre au Soleil : 150 millions de km.



On peut en déduire la puissance émise au niveau du Soleil sur tout l’espace : 3,8 10²⁶ W.







En effet au sein du Soleil (15 millions de degrés), il se produit de nombreuses réactions chimiques dont la résultante peut s'écrire comme suit :

+ énergie (approx 26 MeV ou 4,3 10^-12 J)
(l’Hydrogène fusionne pour donner de l’Hélium).

Donc pour chaque 26MeV émis le Soleil libère 2 neutrinos, connaissant le rayonnement solaire au niveau de la Terre, on peut en déduire le flux théorique de neutrinos émis par notre étoile reçu par notre planète.


Pour détecter ces neutrinos, il faut s’affranchir des rayonnements parasites, notamment le rayonnement cosmique.

En effet les rayonnements cosmiques (particules chargées de haute énergie provenant du fin fond de l’Univers) provoquent dans l’atmosphère la création de particules de toutes sortes , des muons, des pions et aussi des neutrinos.
Pour s’en protéger, on s’enfonce sous terre ; c’est ce qu’a fait Davis dans les années 1960 dans une vieille mine d’or abandonnée, la mine de Homestake dans le Dakota du Sud. Il construit un immense détecteur de 600 t de détergent (Cl) à 1400m sous terre.

La réaction mise en jeu est : 37 Cl + n --> 37 Ar + e^-
Il espère détecter 1 neutrino par jour (en mesurant l’Argon).

Seulement voilà, il n’en détecte pas autant, il détecte 3 fois moins de neutrinos que prévu ! Il en manque !




Les Japonais se mettent aussi à s’intéresser aux neutrinos et ils construisent un énorme détecteur, le super Kamiokande, là aussi dans une mine, à 1000m de profondeur sous une montagne.

La détection s’effectue ici dans un énorme réservoir de 50.000 tonnes d’eau ultra pure, par effet Tcherenkov : un flash de lumière (bleue) est produit lors du passage d’une particule chargée dans l’eau dont la vitesse est supérieure à celle de la lumière (dans l’eau).
Ces électrons sont produits par le choc des neutrinos avec les molécules d’eau.





L’interaction des neutrinos avec l’eau provoque l’émission de cette lumière bleue qui est détectée par une énorme quantité de photomultiplicateurs disposés autour de la cuve. La direction des électrons détectés est liée à la direction des neutrinos et montre (pic) qu’ils proviennent bien du Soleil ; comme on le voit sur le graphique de gauche représentant l’histogramme de l’angle θ entre l’électron et la direction Soleil-Terre à l’instant de l’interaction.


L’image de droite représente le Soleil « vu » par les neutrinos après une pose de 1500 jours !

Les Japonais confirment le déficit de neutrinos, il en manque à l’appel.


Mais qu’arrive-t-il donc aux neutrinos solaires ?

En fait il faut d’abord se rappeler qu’il existe (au moins ?) trois sortes de neutrinos (trois saveurs) :
· le neutrino électronique,
· celui associé au muon et
· celui associé au Tau.
Jusqu’à présent, seuls les neutrinos électroniques étaient mesurés.

Le problème du déficit en neutrinos, vient du fait que le Soleil émet des neutrinos électroniques, qui en cours de route se transforment en les deux autres sortes. C’est l’oscillation des neutrinos.

Comment vérifier cela ?

Ce sont les expériences du SNO (Sudbury Neutrino Observatory) situées à 2 kilomètres sous terre, dans une mine de nickel au Canada qui vont résoudre l'énigme des neutrinos manquants en 2002.
C’est, contrairement aux autres, un détecteur à eau lourde (1000 tonnes 300M$), et c’est cette caractéristique qui permet de mettre en évidence les trois types de neutrinos (n’importe quel type de neutrino peut interagir avec D) et là, …..le compte est bon !


SONDER L’UNIVERS.

Un rappel, notre Voie Lactée est une galaxie de 100.000 al de diamètre, nous sommes situés approximativement à 30.000al du centre et la galaxie voisine la plus proche (en fait une galaxie satellite de la nôtre) est le grand nuage de Magellan à 160.000al de nous.

Il se trouve qu’elle a été l’objet de la première super nova de l’ère des télescope, observée en 1987 (première depuis celle de Kepler en 1604 !); tellement brillante qu’elle fut découverte à l’œil nu le 23 Février 1987 à l’Observatoire de Las Campanas au Chili.
Son nom officiel : SN 1987A



C’était une étoile super massive qui terminait sa vie dans une violente explosion dont l'éclat dépassait en quelques instants celui des milliards d'étoiles de notre galaxie.
Le cœur qui s’effondre va donner naissance à une étoile à neutrons qui, elle, va exploser.

C’est une SN de type II.

Malgré l’énorme luminosité (0,01% de l’énergie globale seulement !) de la SN, la presque totalité de l’énergie rayonnée (99%), l’est sous forme de neutrinos !

En fait une super nova est une usine à neutrinos !



Et en effet, on a détecté suite à cette explosion de SN, 10 neutrinos (sur les 10⁵⁸ neutrinos émis il y a 160.000 ans et 4,5 10¹⁷ qui ont traversé le Kamiokande) dans cette grande piscine au Japon en une dizaine de secondes.
Plus intéressant, il est à noter que ces neutrinos ont en fait traversé toute la Terre avant d’être détectés, car la SN était visible seulement de l’hémisphère Sud !
Encore plus intéressant ; ces neutrinos ont été détectés 2 heures 20 minutes AVANT l’apparition dans le visible, c'est le temps que l'onde de choc a mis pour atteindre la surface de la super géante , ce qui permit de calculer la vitesse de propagation dans l'étoile : 3000km/s.


Le neutrino est donc un messager cosmique,
· Il est stable
· Il est neutre
· Il interagit (très) faiblement. Il faudra donc un énorme volume de détecteurs !

Un bon exemple est l’expérience IceCube au Pôle Sud (dont je vous ai déjà parlé dans mes astronews).



IceCube : 1km3 de détecteurs à neutrinos sous la glace du Pôle Sud (situé en haut de l’image).

5000 tubes PM sur une petite centaine de lignes de détection (profondeur 1500 à 2500m)

Même principe de détection : on détecte la lumière de l’effet Tcherenkov.












En avril 2012, on détecte deux ( !!) neutrinos de haute énergie, ils ont vite été baptisés Bert et Ernie, ils sont d’une puissance gigantesque.



En 2013 on en détecte aussi 26; ce qui fait 28 évènements de haute énergie (plusieurs dizaines de milliers de milliards d’électronvolts, donc de l’ordre du PeV, Peta électron volt 10¹⁵ eV) qui ont donné lieu à de nombreuses publications.









En les étudiant plus précisément (énergie, saveur, direction), on peut affirmer qu’ils ne sont pas atmosphériques, ni du Soleil, ils viennent de beaucoup plus loin., ils sont extra galactiques.



C’est ce que l’on va appeler des neutrinos « extraterrestres ».

La grande tache se situe au niveau du Sagittaire.
Est-ce lié au fait que c'est la région du trou noir central de notre Galaxie?








L’HISTOIRE DE L’UNIVERS ET LES NEUTRINOS.

La composition de l’Univers aujourd’hui est à 95% inconnue (matière noire et énergie noire), le reste étant la matière baryonique dont les étoiles et nous. . Les neutrinos ne rempliraient que 3% de l’Univers actuellement (10% au moment de l’émission du CMB).

Il y a actuellement en moyenne 330 neutrinos par cm³ d’univers, c’est énorme par rapport aux photons ( 5 10^-7 par cm³)



Les questions ouvertes :

Les résultats de Planck publiés l‘année dernière posent la question, même si c’est controversé, de l’existence d’un quatrième type de neutrino, un neutrino stérile (car il n’interagirait pas avec les autres types), très léger, il pourrait même y en avoir plusieurs.

Les résultats seuls de Planck donnent comme nombre de neutrinos possibles : 3,3 +/- 0,6 et
Les résultats de Planck mélangés à d’autres résultats donnent : 3,52 +/- 0,45

Donc 4 serait possible. À suivre…

Un 5^ème neutrino pour élucider l’énigme de la matière noire : c’est aussi une piste à suivre.

Une différence de comportement entre neutrino et anti neutrino pourrait-elle aussi expliquer le déséquilibre entre matière et anti matière ?

Mais avant tout cela, il faudrait déjà au moins avoir une idée de la masse des neutrinos ; c’est le but de l’expérience KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino) de nos amis Allemands. Elle vient de finir de se monter.





POUR ALLER PLUS LOIN :

Saisissables neutrinos par Th Lasserre, conférence du 30 Nov 2012.

L’histoire du neutrino par le LPHE.

Le Soleil et ses neutrinos par l’ENS de Lyon.

Le Soleil et les neutrinos par Th. Stolarczyk du CEA.

Le neutrino une particule fantôme par Ph Rosnet Univ B Pascal.

Les neutrinos solaires, une énigme enfin résolue - CEA

Détection de neutrinos extragalactiques par le Dr Éric Simon.


Et sur votre site préféré :

La mystérieuse nature des neutrinos : CR de la conf. de Th Lasserre RCE 2010 le 14 Nov 2010

Le mystère des neutrinos : CR de la conf SAF de D Vignaud du 16 Déc 2009

Le charme discret des neutrinos : CR de la conférence de H Reeves aux RCE 2006 le 12 Nov 2006

Les Super Novae : CR de la conférence IAP de N Prantzos du 6 Mars 2007

Daniel VIGNAUD : Les neutrinos ; CR conf. du 8 Juillet 2009




Jean Pierre Martin SAF Président de la Commission de Cosmologie
www.planetastronomy.com
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