L’histoire du neutrino commence en 1914...

 

1914: Mesure du spectre de désintégration bêta des noyaux par Chadwick.

Les bêta sont des électrons. Dans cette réaction, un noyau (A,Z) se transforme en un noyau (A,Z+1) avec émission d'un électron.

Si la désintégration était à deux corps, les électrons seraient monocinétiques

Or, on obtient un spectre continu !

 

Les fausses explications:

L. Meitner: les bêta font des diffusions secondaires dans le noyau : une fraction de l’énergie va en excitations nucléaires, produisant des gamma que l’on ne détecte pas!

N. Bohr: l’énergie et la quantité de mouvement ne sont pas conservées dans les désintégrations bêta!

Les observations sont en désaccord non seulement avec l’hypothèse d’une désintégration à 2 corps mais aussi avec les idées de l’époque quant à la structure du noyau atomique:

On pensait à l’époque qu’un noyau (A,Z) était un système de A protons et de (A - Z) électrons

d’où la statistique de spin suivante pour les noyaux 3Li6 et 7N14:

Pour le noyau de 3Li6 (6 protons + 3 électrons = 9 particules) et pour le noyau de 7N14 (14 protons + 7 électrons = 21 particules), on s’attend à avoir des spins demi-entiers avec un nombre impair de particules à spin 1/2.

On trouve des spins entiers!

 

Décembre 1930 : première bonne idée due à Wolfgang Pauli

Voici la lettre qu'il addressa à la Société régionale de Physique réunie à Tübingen:

Physikalisches Institut der Eidg. Technischen Hochschule, Gloriastrasse, Zürich

Zürich, 4 December 1930

Dear Radioactive Ladies and Gentlemen,

As the bearer of these lines, to whom I graciously ask you to listen, will explain to you in more detail, how because of the " wrong " statistics of the N and 6Li nuclei and the continuous bêta-spectrum, I have hit upon a desperate remedy to save the " exchange theorem " of statistics and the law of conservation of energy. Namely, the possibility that there could exist in the nuclei electrically neutral particles, that I wish to call neutrons, which have spin 1/2 and obey the exclusion principle and which further differ from light quanta in that they do not travel with the velocity of light. The mass of the neutrons should be of the same order of magnitude as the electron mass and in any event not larger than 0.01 proton masses. The continuous bêta-spectrum would then become understandable by the assumption that in bêta-decay, a neutron is emitted in addition to the electron such that the sum of the energies of the neutron and electron is constant.

…….

Unfortunately I cannot appear in Tübingen personnally, since I am indispensable here in Zürich because of a ball on the night of 6-7 December.

With my best regards to you, and also to Mr Back,

Your humble servant

W. Pauli

 

Les merveilleuses années 1930-1934

1932: Découverte du neutron par Chadwick :

Masse neutron = masse proton: ce n’est pas la particule de Pauli !

Werner Heisenberg réalisa que le neutron n’est pas un formé de proton et d’électron, mais que c’est une "particule élémentaire", de spin 1/2, au même titre que le proton.

Le problème des spins du 6Li et 14N a été résolu : A = Z + N !

On donnera le nom de "neutrino" (ou "petite particule neutre") à la particule de Pauli

 

1933: Enrico Fermi propose une théorie, toujours valable,

qui suppose qu’un couple électron - neutrino est créé lors de la désintégration bêta, tout comme le photon l’est par un atome lors d’une déexcitation.

Pour la petite histoire, la revue NATURE a refusé l'article de Fermi pour la raison qu'il était " too far from physical reality".

Dans le noyau : le neutron se désintègre en proton + électron + antineutrino.

1934: Première estimation de la " section efficace " de

antineutrino + proton donnant neutron + positon d'après la théorie de Fermi

Section efficace = 10-44 cm2 pour une énergie de l’antineutrino de 2 MeV.

Le libre parcours moyen dans l’eau, par exemple, est donc de 1.5 1021 cm = 1600 années lumières.

On doit donc avoir des sources d’antineutrinos très intenses pour mettre en évidence leurs interacitons, ce qui n’était pas le cas dans les années 30.

 

 

Première détection des anti-neutrinos

par Reines & Cowan (1953) auprès du réacteur de Savannah River (USA) :

Principe: les antineutrinos interagissent avec un noyau d’hydrogène pour donner des e+ et des neutrons; on détecte l’annihilaton des e+ qui est suivie de celle des neutrons.

Le taux des événements détectés confirme la valeur de la section efficace de la réaction calculée avec la théorie de Fermi.

 

Autres sources de neutrinos:

  • Les neutrinos produits dans le soleil
  • Les neutrinos produits dans la haute atmosphère
  • Les neutrinos produits par l’homme (réacteurs nucléaires, accélérateurs)

Il existe 3 sortes de neutrinos, produits en couple avec les leptons chargés:

  • électron -- neutrino de type électronique
  • , découvert dans les désintégrations bêta
  • muon -- neutrino de type muonique
  • , découvert en 1962 par J. Steinberger et ses collaborateurs à Brookhaven
  • tau -- neutrino de type tauonique
  • , découvert en 2000 dans l'expérience DONUT.

On trouve expérimentalement:

  • un déficit dans la détection des neutrinos solaires,
  • que les neutrinos muoniques nous arrive de la haute atmosphère avec un taux plus bas qu’attendu,
  • une expérience aux Etats-Unis prétend avoir observé que des neutrinos d’un type donné pouvait se transformer en neutrinos d’un autre type.

Ce phénomène s’appelle les oscillations des neutrinos.

 

Quelle est donc la masse des neutrinos ?

La théorie standard s’accommode d’une masse nulle des neutrinos.

Les théories astrophysiques montrent que les neutrinos ont été très abondamment produits aux débuts de l’Univers: une masse des neutrinos, de l’ordre de l’eV/c2 (ou moins) apporterait une certaine contribution à la masse de l’Univers.

Les oscillations des neutrinos pouvant se produire que si les neutrinos des trois sortes présentées précédemment ont des masses différentes, leur étude représente un moyen indirect de déterminer les masses de ces particules.

 

Les résultats récents

  • L’expérience SNO a mis en évidence, en 2001, l’existence de saveurs non électroniques dans le flux des neutrinos issus du Soleil. Le flux total des neutrinos observés est en accord avec les prédictions des modèles solaires,
  • l’expérience SuperKamiokande a mis en évidence, en 1998, un déficit de neutrinos atmosphériques selon l’angle que fait leur direction avec le zénith : plus précisément, moins de neutrinos muoniques nous parviennent des antipodes que depuis le ciel au-dessus de nous.
Des expériences destinées à confirmer ces résultats sont en préparation.