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Dossiers de presse

 

Paris, le 7 juin 2004

 

Conférence internationale Neutrino 2004

Une particule longtemps énigmatique en passe de livrer ses secrets

 Le communiqué de presse

 


 

La conférence internationale Neutrino 2004 regroupera plus de 400 spécialistes du monde entier, au Collège de France, du 14 au 19 juin 2004 à Paris. Ces spécialistes feront le point sur les avancées les plus spectaculaires, ainsi que sur les mystères qui continuent à entourer les neutrinos. La conférence Neutrino 2004 sera également accompagnée de manifestations grand public : le vendredi 11 juin, sur le campus de Jussieu, "les neutrinos se mettent en scène" avec la première représentation de la pièce de théâtre "Einstein et Pécuchet au pays des neutrinos", suivie par le spectacle de danse d’Anne-Laure Rouxel intitulé "66 milliards/cm2/seconde", en référence aux neutrinos solaires. Une conférence ouverte au public, "Les neutrinos ? Élémentaire !", suivie d’un débat, aura également lieu le mercredi 16 juin au grand auditorium de la Bibliothèque nationale de France.

Au milieu des années 80, un déficit persistant par rapport aux prédictions de la théorie dans le nombre de neutrinos détectés provenant du Soleil et une anomalie controversée dans le flux de neutrinos produits dans l’atmosphère terrestre jetaient le trouble dans la communauté scientifique. Ces interrogations furent à l’origine de l’explosion du nombre d’expériences étudiant le neutrino. Aujourd’hui, cet effort a porté ses fruits : malgré sa faculté de traverser la matière sans quasiment jamais s’arrêter, le neutrino n’est plus la particule fantôme qu’elle avait la réputation d’être.

 

L'art difficile de la chasse aux neutrinos

L’une des propriétés les plus remarquables du neutrino est de n’interagir que très faiblement avec la matière. Sur Terre, chaque centimètre carré de notre peau est bombardé de 66 milliards de neutrinos par seconde qui proviennent du Soleil. Le jour bien sûr, mais également la nuit, lorsque le Soleil est aux antipodes et que la Terre nous le masque. En effet, au plus un de ces neutrinos sur dix milliards s’arrête à la traversée de notre planète. Le nombre de neutrinos arrivant sur les détecteurs est énorme mais le nombre de ceux qui s’y arrêtent est dérisoire, de un à une dizaine par jour selon la méthode de détection, et le matériau utilisé pour les observer, ainsi que la taille du détecteur (de plusieurs dizaines à plusieurs milliers de tonnes).

Cette propriété explique que, bien que son existence ait été postulée dans les années 1930, pour éviter la violation du principe de conservation de l’énergie, le neutrino ne fut mis en évidence qu’en 1956 à l’aide d’un détecteur placé à proximité d’un réacteur nucléaire de Savannah River en Caroline du Sud (la fission de l’uranium produit des anti-neutrinos, la particule d’anti-matière du neutrino).

Le neutrino est également traqué lors d’événements extrêmement rares : c’est le cas de la double désintégration bêta, où au lieu d’un seul électron et d’un antineutrino comme dans la désintégration bêta classique, ce sont simultanément deux électrons et deux antineutrinos qui sont émis. Cette désintégration, spécifique de certains noyaux atomiques, survient si rarement qu’il faut attendre de l’ordre de 10 milliards de milliards d’années pour que la moitié d’un échantillon d’un kilogramme de matériau (susceptible de subir cette désintégration comme le molybdène-100 ou le sélénium-82 par exemple) se soit désintégré de cette manière. Mais les physiciens (ceux de l’expérience Nemo par exemple, dans le laboratoire souterrain de Modane (CEA/CNRS) essaient de détecter des évènements encore plus rares où seuls deux électrons seraient émis : ceci prouverait que le neutrino est sa propre antiparticule.

Avec un nombre d’événements aussi faible, les phénomènes parasites (autres phénomènes radioactifs susceptibles de laisser penser qu’un neutrino a été absorbé) doivent être réduits de façon drastique. C’est en tout premier lieu le cas du rayonnement cosmique. Pour s’affranchir de ce rayonnement parasite, les expériences doivent être effectuées dans des laboratoires souterrains, comme celui du Fréjus (France) ou celui du Gran Sasso (Italie), sous plus de 1 500 mètres de roche. Mais les matériaux entourant ou constituant le détecteur lui-même doivent être également extrêmement purs. On fait ainsi parfois appel à du plomb archéologique retrouvé par exemple dans une épave romaine ou dans la cave d’un château, dont la radioactivité est très faible : en effet, à l’abri du rayonnement cosmique depuis des centaines d’années, ce plomb a peu à peu perdu sa radioactivité naturelle. Les systèmes d’acquisition des données et de contrôle du détecteur doivent également être à très bas bruit.

 

Le neutrino, particule longtemps qualifiée d'énigmatique, est en passe révéler ses secrets

Les neutrinos sont des particules de matière existant sous trois formes appelées "saveurs", associées respectivement à l’électron et à ses deux particules cousines plus lourdes, le muon et le tau. Chacune des saveurs a une signature expérimentale différente : par exemple, un neutrino de type "électron" donne naissance à un électron lorsqu’il est absorbé par la matière.

Produit dans une de ces saveurs, le neutrino peut en changer lors de son trajet vers l’appareillage de détection et de ce fait ne pas être détectable par la signature attendue : on dit alors qu'il "oscille". Si le détecteur le permet, il peut "apparaître" avec une signature correspondant à une autre saveur. Cette transformation – on parle d’oscillations – réconcilie aujourd’hui prédictions et expériences et résout les énigmes des décennies passées.

Ainsi, dès la fin des années 60 et pendant plus de vingt-cinq ans, l’expérience de détection des neutrinos solaires conduite par R. Davis(1) dans la mine de Homestake aux États-unis n’observait qu’un tiers du flux prédit par les spécialistes du Soleil. Elle n’était sensible qu’aux neutrinos électroniques. Il fallut attendre les résultats de l’expérience Gallex (Gallium experiment), en 1992, sensible à des neutrinos électron moins énergétiques, pour montrer que les modèles solaires n‘étaient pas en cause, et confirmer au passage, pour la première fois expérimentalement, l’hypothèse que l’énergie du Soleil est produite par la fusion de l’hydrogène en hélium.

Au milieu des années 80, ce fut au tour des neutrinos atmosphériques, issus de l’interaction du rayonnement cosmique dans l’atmosphère de relancer le problème : certaines des expériences, dont celle de Kamiokande au Japon, ne détectaient pas le flux prédit par les modèles.
Ces deux problèmes persistants sont donc maintenant résolus. En effet, en 1998, Superkamiokande, une extension de l’expérience originelle Kamiokande, expliqua l’anomalie des neutrinos atmosphériques à l’aide de l’hypothèse des oscillations. En 2001, l’expérience SNO située au Canada, réussit enfin à mesurer le flux solaire de toutes les saveurs arrivant sur Terre confirmant ainsi qu’une partie des neutrinos électroniques se sont bien transformés en neutrinos muoniques et tauiques.

Les expériences en cours et les projets en préparation doivent désormais étudier en détail le mécanisme d’oscillation et déterminer avec précision les paramètres qui le gouvernent afin de les confronter aux modèles théoriques. Ces oscillations impliquent que les neutrinos ont des masses non nulles, contrairement à ce qu’on avait supposé jusqu’alors. Ils contribuent donc à la masse manquante de l’Univers : on sait désormais qu’ils "pèsent" aussi lourds que toutes les étoiles visibles (l’Univers comporte 300 neutrinos par centimètre cube issus des premières phases d’expansion après le big bang)

Cependant, le neutrino ne s’est pas encore complètement dévoilé : il faut déterminer s’il est sa propre particule d’anti-matière, un sujet controversé depuis 1937, ou s’il peut être sensible aux champs magnétiques. Il faut également déterminer la valeur précise des masses de chacune des saveurs, ce qui ne peut être directement obtenu par l’étude des oscillations.

Dès le début des recherches sur l’oscillation des neutrinos, et encore plus aujourd’hui à l’heure des mesures de précision, toutes les sources de neutrinos ont été "bonnes à prendre". En effet la fraction de neutrinos d’une saveur qui s’est transformée en une autre saveur dépend de l’énergie de ces neutrinos, et donc de la nature de la source et de la distance à laquelle on les observe. Ceci explique la grande diversité des expériences mises en place au fil du temps pour découvrir puis mesurer les oscillations. Les détecteurs de l’expérience du Bugey étaient placés à une dizaine de mètres sous le réacteur de la centrale. Dans le cas de l’expérience Chooz, l’appareillage était à un kilomètre des réacteurs de la centrale du même nom. Dans l’expérience Opera, installée au cœur du laboratoire souterrain du Gran Sasso, en Italie, les neutrinos détectés seront émis depuis le Cern (Laboratoire européen de physique des particules) à Genève, à 700 kilomètres de là. Dans le cas des neutrinos solaires (expériences Gallex ou Borexino), la source est à 150 millions de kilomètres. Les neutrinos dits atmosphériques, quant à eux, sont produits par l’interaction des rayons cosmiques avec l’atmosphère, à une distance du détecteur entre 30 et 13 000 km selon que l’on observe le ciel ou les antipodes. Enfin, les caractéristiques du neutrino ont également pu être étudiées à partir de la dispersion des temps d’arrivée des quelques neutrinos observés lors de l’explosion de la supernova SN1987A, astre défunt distant de 150 000 années-lumière.

 

Le neutrino, apprivoisé, messager du cosmos…

Le neutrino, apprivoisé, peut aussi devenir un outil plutôt qu’un sujet d’étude et permettre d’ouvrir une nouvelle fenêtre d’observation sur l’Univers.
L’Univers est peuplé d’objets aux dimensions qui dépassent l’entendement et qui sont à l’origine de phénomènes cataclysmiques. Il en est ainsi des noyaux actifs de galaxie ou des microquasars, des explosions de supernovae ou des sursauts de rayonnement gamma. Ces phénomènes, ou tout au moins certains d’entre eux, sont probablement à l’origine du rayonnement cosmique qui bombarde continuellement la Terre(2). Mais aucune certitude n’existe à ce sujet. En effet les protons sont absorbés par la matière et déviés par les champs magnétiques intergalactiques, ce qui rend ardue une véritable observation de ces phénomènes.

Bien entendu, les photons nous renseignent sur ces phénomènes. Mais là encore, à haute énergie, ils interagissent sur les fonds diffus de photons qui baignent l’Univers. Lorsque l’on détecte des photons dont l’énergie dépasse 10 TeV (c'est-à-dire, 10 000 milliards d'électrons-volts), notre vision se limite à la proche banlieue de la Galaxie. De plus les photons sont facilement absorbés et dégradés par la matière et ne permettent pas de voir le cœur des objets qui leur ont donné naissance (à titre d’exemple les photons produits au cœur du Soleil mettent, en raison d’une multitude d’interactions avec la matière, un million d’années à en sortir).

Le neutrino, grâce à sa faible interaction avec la matière, peut, contrairement aux photons ou au protons, permettre de sonder les phénomènes cosmiques les plus violents et les plus lointains de l’Univers.
Mais le prix à payer est d’instrumenter d’immenses volumes de matière tant le nombre d’événements attendus est faible. Les physiciens choisissent des milieux transparents, l’eau ou la glace pour y détecter la lumière produite par les particules résultant de l’absorption des neutrinos par ce milieu. Ainsi les physiciens d’Antares (Astronomy with a neutrino telescope and abyss environmental research) déploieront un détecteur couvrant 0,1 km2 du fond de la Méditerranée, première étape vers un détecteur de 1 km3 qui, avec celui en cours de construction au Pôle Sud (Icecube), permettra la naissance d’une véritable astronomie neutrino.

 

… et messager de la paix

Très récemment, le neutrino a attiré l’attention de l’Agence internationale de l’énergie atomique (AIEA, l’agence des Nations-Unies en charge du développement pacifique de l’énergie atomique). Pour remplir sa mission, l’agence procède à des mesures et à des contrôles acceptés auprès de toutes les installations nucléaires civiles. Or un réacteur nucléaire classique de 1 000 Mégawatts émet mille milliards de milliards de neutrinos – en fait d’antineutrinos – par seconde. Le nombre de neutrinos, et surtout leur énergie, dépend de ce que brûle le réacteur, en particulier de la proportion de plutonium-239 consommé. Un détecteur de neutrino, comme les physiciens ont appris à en construire depuis 50 ans, pourrait donc contrôler, à l’extérieur de la centrale, que le fonctionnement du réacteur ne s’écarte pas du mode normal, à savoir qu’il ne favorise pas un mode économisant le plutonium. Ce fonctionnement "proliférant" étant utilisé dans un but moins pacifique.

 

(1) Raymond Davis Jr. est co-lauréat du prix Nobel 2002 avec Masatoshi Koshiba, initiateur d’une autre expérience de détection des neutrinos, Kamiokande (Japon) et Riccardo Giacconi, pour la découverte des sources cosmiques de rayons X.
(2) Des protons, dont la masse est de l’ordre d’un milliardième de milliardième de milliardième de kilogramme, ont été détectées dans le rayonnement cosmique à une énergie d’un joule, l’énergie d’une balle de tennis à Roland Garros !

Contact chercheur

  • Thierry Stolarczyk, Tél : 01 69 08 66 26
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