Th. Stolarczyk

Le neutrino > Les années 90

Situation expérimentale dans les années 90

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Après sa découverte en 1956, la nature du neutrino s’est dévoilée peu à peu.

• En 1962, au Brookhaven National Laboratory, la preuve est faite que les neutrinos sont de deux types, associés respectivement à l’électron et au muon.
• A partir du milieu des années 60, les neutrinos venus du ciel commencent à être observés : en 1965, Reines et son équipe détectent les tous premiers neutrinos atmosphériques au fond d’une mine d’or en Afrique du Sud.
• A partir de 1968, Davis met en place son expérience de détection des neutrinos solaires, et dès le début des années 70 mentionne un désaccord avec les prédictions théoriques des flux solaires.
• En 1976, la découverte du lepton t par Martin Perl, à SLAC, suggère l’existence d’un troisième neutrino.

La même année se profile à l’horizon une nouvelle génération de détecteurs à rayonnement Tchérenkov, dont le but est essentiellement la recherche de la désintégration du proton : Kamiokande et IMB commenceront à prendre des données à partir de 1980.

C’est en 1985, 15 années après la naissance du problème des neutrinos solaires, qu’IMB et Kamiokande, détectant les neutrinos atmosphériques faute d’avoir pu observer la désintégration du proton, annoncent à leur tour un désaccord avec les prédictions théoriques ⁽²⁾. C’est également cette année là que Mikheyev, Smirnov et Wolfenstein publient leur idée de conversion adiabatique des neutrinos au coeur du Soleil (effet MSW). Cette hypothèse élargit le domaine d’application des oscillations de neutrinos. Un an plus tard, Kamiokande observe les neutrinos en provenance du Soleil. Il y a bien accumulation de données dans la direction de l’astre, mais le déficit est toujours là.

En 1987, la détection par Kamiokande et IMB des neutrinos émis lors de l’explosion de la supernova SN1987A est l’événement fondateur de l’astronomie neutrino.

À la fin des années 80, les expériences du LEP, au CERN, accumulent les résultats confortant le modèle standard de la physique des particules. En 1989, elles déterminent que les leptons, et donc les neutrinos, se répartissent en 3 familles. Au même moment, pour tenter de mettre fin aux mystères qui entourent le neutrino, un nombre croissant d’expériences voit le jour. La grande majorité d’entre elles vise à déterminer si les neutrinos sont massifs, ce qui leur permettrait d’osciller, ou bien encore à observer leurs oscillations, ce qui n’est possible que si les neutrinos sont massifs.

Dans le domaine des neutrinos solaires, les collaborations SAGE, dans le Caucase, et GALLEX, en Italie, commencent leurs prises de données. Ces expériences, dont la cible comporte du gallium, doivent détecter les neutrinos primordiaux dont le flux est, pour l’essentiel, indépendant des modèles solaires.

A cette même époque, SNO (Sudbury Neutrino Observatory, au Canada) est à l’étude. Les physiciens japonais de l’expérience Kamiokande projettent la construction de Superkamiokande, un détecteur reposant sur les mêmes principes mais avec un volume de détection 50 fois plus important.

Les collaborations et les projets se multiplient avec des expériences de mesure directe de la masse (désintégration du tritium), de recherche d’oscillations auprès des accélérateurs (NOMAD, Chorus, LSND, Karmen, K2K, MINOS) ou des réacteurs (Chooz, Kamland), ainsi que des expériences pouvant étudier le flux des neutrinos atmosphériques (MACRO, par exemple). Les expériences de recherche de désintégration double-bêta sans neutrino tentent de dévoiler la nature du neutrino (est-il de Dirac ou de Majorana ?).

Sur la figure 1, la plupart des expériences d’oscillation des neutrinos au milieu des années 90 sont représentées dans le plan distance du détecteur à la source, énergie des neutrinos incidents. Dans ce diagramme, les expériences de sensibilité comparable se retrouvent sur les mêmes diagonales.

Cette explosion du nombre d’expériences a porté ses fruits. Parmi tous les résultats obtenus, les plus marquants sont les suivants :

• La première observation, par GALLEX et SAGE, des neutrinos primordiaux du Soleil en 1992, avec une confirmation du déficit observé à plus haute énergie ;
• En 1995, LSND observe une apparition de anti-ν_e dans un faisceau qui en est originellement dépourvu;
• En 1998, Superkamiokande déclare observer une oscillation des neutrinos atmosphériques ;
• Le n_t est pour la première fois détecté de façon directe par DONUT à Fermilab, le 21 juillet 2000 ;
• Les premiers résultats de SNO, le 18 juin 2001, confirment que le problème des neutrinos solaires n’est pas imputable aux prédictions théoriques des modèles solaires.

Figure 1 : Les différentes expériences de détection des oscillations de neutrinos des années 90 placées dans un plan ayant pour abscisse l’énergie de la source des neutrinos, et comme ordonnée la distance à cette source. Les neutrinos ont quatre origines différentes : les réacteurs, les accélérateurs de particules, l’interaction du rayonnement cosmique primaire dans l’atmosphère, et le Soleil. Dans ce plan, les diagonales représentent les valeurs de Δm2 en eV2 accessibles à ces expériences dans le cadre de l’oscillation des neutrinos. L’effet MSW a pour conséquence de ramener les expériences de détection des neutrinos solaires vers des valeurs de Δm2 beaucoup plus grandes, de l’ordre de 10-7 à 10-4 eV2 contre 10-11 eV2 pour les oscillations dans le vide.

Figure 2: Nombre de publications dont le titre contient l’un des trois mots-clés « higgs », « neutrino » ou « quark » (Résultats obtenus d’une recherche sur le serveur de l’ISI), en proportion du total (figure du haut) et en absolu (figure du bas).

En une cinquantaine d’année, l’étude du neutrino est devenue un des domaines majeurs de la recherche en physique subatomique : d’une part, via l’oscillation des neutrinos, comme moyen de dépasser le modèle standard de la physique des particules ; d’autre part comme sonde de nombreux objets et phénomènes physiques allant du Big-Bang jusqu’aux objets astrophysiques les plus énergétiques, en passant par la compréhension des mécanismes de fusion de l’hydrogène dans les étoiles de la séquence principale.

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Extrait et adapté de Gallex, Nomad, Antares, une décennie de neutrinos, Th. Stolarczyk
mémoire d'habilitation à diriger les recherches soutenue le 21 janvier 2003.