Antineutrino

L'antineutrino est l'antiparticule du neutrino. Il naît partout où des noyaux émettent des électrons par désintégration bêta — dans les réacteurs nucléaires, dans l'intérieur de la Terre et dans les étoiles.

Historiquement, c'est le plus important des deux : la première mise en évidence d'un neutrino par Cowan et Reines fut en vérité la mise en évidence d'un antineutrino.

La comptabilité du nombre leptonique

La différence tient à une grandeur conservée. On attribue à chaque lepton le nombre +1, à chaque antilepton −1. Dans tous les processus connus, la somme se conserve.

Dans la désintégration bêta ordinaire, un neutron devient un proton, un électron et un antineutrino. L'électron porte +1, l'antineutrino −1 ; ensemble zéro, comme avant la désintégration.

Lors de la désintégration d'un proton au sein d'un noyau naissent un positon et un neutrino : −1 et +1. Là encore, le compte est bon.

Cette règle n'est pas déduite d'un principe plus profond. C'est une observation — et c'est précisément pour cela qu'elle est intéressante, car les règles sans justification sont celles qui tombent le plus volontiers.

La différence pratique

La comptabilité a des conséquences concrètes pour la détection.

Un antineutrino peut transformer un proton en un neutron et un positon — la désintégration bêta inverse. C'est sur elle que reposent toutes les expériences auprès de réacteurs, de Daya Bay à JUNO, et c'est à elle que l'on doit le double signal caractéristique fait de deux éclairs de lumière. Le processus a un seuil de 1,8 mégaélectronvolt ; en dessous, l'énergie ne suffit pas.

Un neutrino ne le peut pas. Il transforme au lieu de cela un neutron en un proton et un électron. C'est le processus qu'utilisa Raymond Davis lors de l'expérience Homestake — et la raison pour laquelle sa cuve de chlore répondait aux neutrinos solaires, mais non aux antineutrinos de réacteur.

Davis le vérifia expressément : il installa une cuve auprès d'un réacteur et ne trouva rien. Un contrôle négatif exemplaire — et en même temps une preuve que la distinction est réelle et non pure comptabilité.

Ce qui fait la différence

Chez les particules chargées, la différence saute aux yeux : le positon porte la charge opposée à celle de l'électron, et aucune mesure ne pourrait confondre les deux.

Chez le neutrino, il n'y a pas de charge. Ce que nous distinguons comme neutrino et antineutrino ne se distingue de manière mesurable que par l'hélicité — la question de savoir si le moment cinétique propre pointe dans la direction du déplacement ou à l'opposé.

Et c'est précisément là le point faible. Pour une particule dotée d'une masse, l'hélicité n'est pas une propriété absolue. Un observateur suffisamment rapide pourrait dépasser la particule ; vue de l'avant, la direction du déplacement s'inverse, mais non le spin.

Comme l'oscillation des neutrinos atteste la masse, la distinction dépend donc de l'observateur — du moins en principe.

La question ouverte : Dirac ou Majorana

Se pose ainsi une question que Ettore Majorana souleva en 1937 : neutrino et antineutrino sont-ils peut-être la même particule, qui apparaît seulement différente selon les circonstances ?

De telles particules s'appellent aujourd'hui particules de Majorana. Le contre-projet — les deux comme états réellement distincts — s'appelle particule de Dirac, d'après Paul Dirac, de l'équation duquel découlait à l'origine l'existence des antiparticules.

Seule la double désintégration bêta sans neutrino permettrait de trancher la question. Elle n'est possible que si Majorana avait raison. Malgré des décennies de recherche, elle n'a pas été observée.

Pourquoi la réponse serait importante

Si le neutrino était une particule de Majorana, le nombre leptonique ne serait pas une grandeur strictement conservée. Cela ouvrirait la voie au mécanisme de bascule, qui pourrait expliquer pourquoi les masses des neutrinos sont si infimes — et, par la leptogenèse, à une explication de la raison pour laquelle l'univers est fait de matière et non de rien.

Une des plus grandes questions ouvertes qui soient dépend ainsi d'une question en apparence technique.

Termes apparentés

• Neutrino — la particule
• Neutrinos de réacteur — la source artificielle la plus intense
• Hélicité — la seule différence mesurable
• Double désintégration bêta — la mise en évidence possible

Sources

• E. Majorana : Teoria simmetrica dell'elettrone e del positrone, Il Nuovo Cimento 14, 171 (1937).
• Particle Data Group : Review of Particle Physics, section Neutrinos.