Neutrinos atmosphériques
Les neutrinos atmosphériques naissent lorsque le rayonnement cosmique frappe l'atmosphère de la Terre. Ils sont la source avec laquelle l'oscillation des neutrinos a été mise en évidence pour la première fois en 1998 — et ils fournissent aujourd'hui encore l'un des dispositifs de mesure les plus élégants de la physique.
Comment ils naissent
Depuis l'espace, des protons et des noyaux atomiques de haute énergie frappent sans cesse la Terre. À une altitude d'environ 15 à 20 kilomètres, ils entrent en collision avec des noyaux d'azote et d'oxygène et engendrent une gerbe de particules secondaires, principalement des pions et des kaons.
Un pion chargé se désintègre en un muon et un neutrino muonique. Le muon se désintègre à son tour en un électron, un neutrino électronique et un autre neutrino muonique.
Si l'on fait le compte, on attend deux fois plus de neutrinos muoniques que de neutrinos électroniques.
Pourquoi ce rapport est si précieux
Le flux absolu du rayonnement cosmique n'est connu qu'à environ vingt pour cent près. Pour une mesure où il s'agit de quelques pour cent, ce serait sans valeur.
Le rapport de 2 à 1, en revanche, découle uniquement de la chaîne de désintégration. Il ne dépend guère de l'intensité momentanée du rayonnement cosmique ni de sa composition. Il n'est donc pas nécessaire de connaître précisément la source pour disposer d'une prédiction nette.
C'est exactement ce qui rend les neutrinos atmosphériques utilisables pour des mesures de précision, bien que personne ne les contrôle.
La Terre comme étalon
La deuxième particularité est géométrique. Un détecteur situé profondément sous terre reçoit des neutrinos venant de toutes les directions — mais ceux-ci ont derrière eux des trajets très différents.
Les neutrinos venant d'en haut sont nés 15 kilomètres au-dessus du détecteur. Les neutrinos venant d'en bas sont nés de l'autre côté de la planète et ont parcouru environ 13 000 kilomètres.
Un seul et même détecteur mesure ainsi simultanément un trajet très court et un trajet très long — un rapport de presque mille à un, et cela sans accélérateur, sans second site, sans frais.
Comme l'oscillation dépend de la longueur du trajet, l'effet se manifeste comme une dépendance à l'angle d'incidence.
La découverte de 1998
Super-Kamiokande a exploité précisément cela. Le détecteur trouva d'en haut le nombre attendu de neutrinos muoniques — d'en bas, environ la moitié seulement. Les neutrinos électroniques ne présentaient aucun déficit de ce genre.
Cette dépendance angulaire fut la preuve véritable. Une erreur de détecteur aurait agi de la même façon en haut et en bas ; une conversion qui dépend de la longueur du trajet agit exactement ainsi.
Takaaki Kajita présenta le résultat en juin 1998. Ce fut la première démonstration solide que les neutrinos oscillent et possèdent donc une masse. En 2015 suivit le prix Nobel.
La beauté de cette mesure tient au peu qu'elle a exigé : un détecteur, le ciel et le globe terrestre comme étalon.
Utilisation actuelle
Les neutrinos atmosphériques continuent d'être mesurés. IceCube et la partie ORCA de KM3NeT les utilisent pour déterminer l'ordre des masses des neutrinos — car lors de la traversée de la Terre, l'effet MSW agit différemment selon laquelle des masses est la plus grande.
Le domaine d'énergie s'étend de quelques centaines de mégaélectronvolts jusqu'au domaine du pétaélectronvolt. Aux énergies les plus élevées contribuent en outre des désintégrations de particules à quarks charmés — une contribution qui n'est pas encore mesurée avec certitude.
Le jumeau indésirable
En même temps, les neutrinos atmosphériques constituent un bruit de fond partout où l'on cherche autre chose.
Pour les expériences sur la désintégration du proton et sur la matière noire, ils forment la limite du faisable. On ne peut pas s'en protéger — aucune roche au monde ne les arrête. À partir d'une certaine taille de détecteur, ils recouvrent inévitablement le signal recherché.
Cette barrière s'appelle dans le langage spécialisé l'empreinte des neutrinos et marque l'endroit où prend fin la sensibilité de toute une classe d'instruments.
Termes associés
- Super-Kamiokande — la découverte
- Muons cosmiques — la même origine
- Oscillation des neutrinos
- Takaaki Kajita
Sources
- Collaboration Super-Kamiokande : Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos, Physical Review Letters 81, 1562 (1998).