Neutrino

Le neutrino est une particule élémentaire sans charge électrique et d'une masse infime. Il ne participe qu'à l'interaction faible et traverse donc la matière presque sans entrave.

Les neutrinos sont, après les particules de lumière, les particules les plus fréquentes de l'univers. Chaque seconde, environ 65 milliards d'entre eux traversent un centimètre carré de votre peau, rien que depuis le Soleil. Vous n'en remarquez rien — et c'est précisément là leur propriété la plus importante.

Pourquoi ils sont si difficiles à saisir

Une particule devient visible en interagissant avec quelque chose. Le neutrino ne dispose pour cela que de deux des quatre forces fondamentales, et la gravitation est sans importance à une telle masse. Reste l'interaction faible.

Celle-ci porte son nom à juste titre — mais pour une autre raison que celle que l'on supposerait. Ce n'est pas sa force qui est faible, mais sa portée. Elle est transmise par les bosons W et Z, qui sont environ quatre-vingts fois plus lourds qu'un proton. Une particule médiatrice aussi lourde ne va guère loin ; la portée se situe à un millième du diamètre du proton.

Deux particules doivent donc s'approcher extraordinairement près pour que quelque chose se produise. La section efficace est en conséquence minuscule : un neutrino traverse sans peine un mur de plomb de plusieurs années-lumière d'épaisseur.

Hans Bethe et Rudolf Peierls en conclurent en 1934 qu'il n'existait aucune voie praticable pour observer jamais un neutrino. Leur calcul était juste. Leur conclusion ne l'était pas.

Trois espèces

Les neutrinos se présentent en trois versions, que l'on appelle saveurs. Chacune appartient à un lepton chargé :

Qu'il y en ait exactement trois et pas davantage n'est pas une hypothèse, mais une mesure. De la largeur de désintégration du boson Z au CERN découla en 1989 le nombre trois — pour toutes les espèces qui se couplent effectivement à l'interaction faible. Savoir s'il existe en outre des neutrinos stériles reste une question ouverte.

À chaque espèce correspond un antineutrino. Savoir si neutrino et antineutrino sont réellement différents ou s'il s'agit de la même particule sous deux formes d'apparition demeure à ce jour sans réponse.

D'où ils viennent

Du Soleil. La fusion nucléaire en son cœur produit sans relâche des neutrinos solaires. Ils constituent de loin la plus grande part de ce qui nous atteint.

De l'enveloppe atmosphérique. Le rayonnement cosmique engendre à environ 15 kilomètres d'altitude des neutrinos atmosphériques.

Des réacteurs nucléaires. Un réacteur de puissance émet environ 10²⁰ antineutrinos par seconde.

De la Terre. La désintégration radioactive dans la roche fournit des géoneutrinos — le seul moyen de voir l'intérieur de la planète.

De l'espace. Des supernovae comme SN 1987A et des noyaux de galaxies lointaines émettent des neutrinos que captent IceCube et KM3NeT.

Du Big Bang. Un fond cosmique de neutrinos traverse l'univers tout entier. Il n'a pas été mis en évidence jusqu'ici — les énergies sont trop faibles.

L'histoire de la découverte en bref

En 1930, Wolfgang Pauli proposa la particule afin de sauver le principe de conservation de l'énergie dans la désintégration bêta. Il qualifia lui-même cela d'expédient désespéré et douta qu'on la trouvât jamais.

En 1934, Enrico Fermi coula l'idée dans une théorie et donna son nom à la particule — de l'italien pour « petite chose neutre ».

En 1956, Frederick Reines et Clyde Cowan la mirent en évidence auprès d'un réacteur nucléaire, 26 ans après la proposition de Pauli.

En 1998 et 2002, Takaaki Kajita et Arthur B. McDonald montrèrent que les neutrinos se transforment les uns dans les autres. Il était ainsi établi qu'ils possèdent une masse.

Un exposé plus détaillé figure sur la chronologie.

La masse et ce qui en dépend

L'oscillation des neutrinos prouve que les neutrinos ont une masse. Personne ne sait exactement quelle est sa valeur. L'expérience KATRIN l'a circonscrite en dessous d'un demi-électronvolt — l'électron pèse plus d'un million de fois davantage.

Cette petitesse est elle-même une énigme. Toutes les autres masses du modèle standard sont plus proches les unes des autres. Le mécanisme de bascule l'explique comme l'ombre de quelque chose de très lourd que personne n'a encore vu.

La masse du neutrino est ainsi à ce jour le seul résultat de laboratoire assuré qui pointe au-delà du modèle standard. C'est la raison pour laquelle des milliards affluent dans le monde entier vers des détecteurs toujours plus grands.

Les neutrinos comme source d'énergie

Le Neutrino® Energy Group poursuit l'approche consistant à tirer du courant électrique des flux ambiants constamment présents — non pas des seuls neutrinos, mais de plusieurs canaux à la fois : impulsions de particules, muons cosmiques, fluctuations électromagnétiques et mouvements thermiques. Cette approche s'appelle neutrinovoltaïque et repose, selon le groupe, sur des structures multicouches en graphène et silicium.

Termes apparentés

• Oscillation des neutrinos — la transformation
• Section efficace — pourquoi la détection est si difficile
• Chronologie — l'évolution depuis 1930
• Glossaire — toutes les pages en un coup d'œil

Sources

• Particle Data Group : Review of Particle Physics, section Neutrino Properties.
• Fondation Nobel : prix Nobel de physique 1995, 2002 et 2015.