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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

 


 

L’insaisissable neutrino

Les neutrinos sont les plus mystérieuses des particules élémentaires. Ils sont à l’origine des plus importantes avancées expérimentales en physique des particules depuis 5 ans. Les neutrinos sont au nombre de trois : le neutrino électronique, le neutrino muonique et le neutrino tauique. Ce dernier, bien que nécessaire pour la cohérence des théories, n'a seulement été découvert qu'en l’an 2000.
La physique quantique leur confère une étonnante propriété : ils peuvent au cours de leur propagation se changer les uns en les autres. Ce phénomène, qui ne peut pas se produire si les neutrinos ont une masse nulle, porte le nom d’oscillations de neutrinos. C’est en le découvrant que l’on a pu assurer que les neutrinos avaient une masse.

Certaines expériences ont observé moins de neutrinos d’un certain type que ce qui était prévu. La meilleure explication alors trouvée était que ces neutrinos s’étaient transformés (ils avaient oscillé) en neutrinos d’un autre type. C’est le cas de l’expérience SuperKamiokande (Japon) qui observa à l’aide d’un réservoir de 50 000 tonnes d’eau une disparition des neutrinos muoniques produits naturellement dans l’atmosphère. Il semblerait que ces neutrinos se transforment majoritairement en neutrino tauiques. C’est la possibilité de cette transformation que cherche à démontrer sans ambiguïté l’expérience Opera : elle essaiera de détecter,à partir d’un faisceau initial artificiel de neutrinos exclusivement muoniques, des neutrinos tauiques et éventuellement quelques neutrinos électroniques minoritaires.

La compréhension de ce phénomène est cruciale pour l’avenir des théories décrivant la physique des particules. Elle ouvre une nouvelle voie pour prolonger le modèle standard de cette physique. De plus, la compréhension des neutrinos est primordiale pour comprendre comment l’Univers s’est créé.

Opera regroupe environ 160 physiciens principalement européens et japonais. Le détecteur est en cours d’installation dans le Laboratoire national du Gran Sasso (LNGS) qui se situe en Italie, dans un parc national au milieu du massif des Abruzzes. La prise de données débutera au printemps 2006 et doit durer 5 ans. Pour se protéger des rayons cosmiques, le LNGS est situé sous une montagne qui éliminera 99 % d’entre eux. Il est composé de trois cavités d’une centaine de mètres de long, d’une vingtaine de mètres de large et de 18 m de haut. On y accède par un tunnel autoroutier.

 

Le faisceau de neutrinos

Les neutrinos muoniques sont produits au Centre Européen pour la Recherche Nucléaire (Cern) à Genève. Il faut leur laisser le temps d’osciller, et comme ils voyagent presque à la vitesse de la lumière, cela nécessite une longue distance. Ils sont donc envoyés à travers la Terre vers le LNGS, à 732 km de là. Cela est rendu possible grâce à leur très faible probabilité d’interaction. Les neutrinos partent tous presque parallèles, mais le moindre petit angle au départ par rapport à la trajectoire aboutit à un faisceau d’un kilomètre de rayon au LNGS. Évidemment, cela ne représente aucun danger pour les habitants de la région : les neutrinos n’interagissant quasiment pas avec la matière, ils sont inoffensifs. Ayant ainsi parcouru 732 km, certains des neutrinos auront oscillé en neutrinos tauiques (ou peut être en neutrinos électroniques). Ce sont eux qu’il faudra détecter.

 

Le détecteur

Le détecteur Opera se compose de deux cibles incluant chacune un détecteur de trajectoires et suivies d’un spectromètre . La détection des neutrinos se fait en observant les particules créées par leurs interactions. Dans le cas présent, on cherche à détecter un électron pour un neutrino électronique ou une particule tau pour un neutrino tauique. Détecter des taus est loin d’être aisé car cette particule ne vit qu’environ un centième de milliardième de seconde, ce qui se traduit par une trace d’en moyenne 1mm dans le détecteur.

Pour obtenir une précision suffisante, le détecteur utilise une technologie originale. Il est composé de 200 000 briques comprenant un sandwich de plomb et de films photographiques. Le plomb sert de cible : un neutrino tauique pourra y interagir pour créer un tau, qui sera par la suite détecté dans le film photographique. Les briques sont "empilées" et constituent des murs. Il y a au total 1 800 tonnes de plomb dans Opera car l’importance de la masse de plomb détermine le nombre d’interactions.

L’identification du tau se fait par la caractérisation des traces des particules dans le détecteur. La trace de l’apparition puis de la disparition d’un tau est très particulière.
Un système de détecteur électronique de trajectoires mis en place par la France permet de localiser la brique où un neutrino a interagi. Le nombre impressionnant de briques a requis la création d’un robot dédié à leur manipulation. Une fois les films photographiques développés, ils sont analysés à l’aide de microscopes automatisés pour repérer les grains noirs laissés par les particules, les connecter entre eux pour reconstruire les trajectoires et enfin identifier la topologie de l’évènement. La reconstruction en trois dimensions permettra ensuite d’identifier les taus et les électrons. Au cours de cinq ans de prise de données, les physiciens d’Opera inspecteront ainsi plus de 20 000 briques, soit une surface de 120 m2 examinés micron par micron, où se cache une quinzaine de taus. Un vrai travail de fourmi !

 

Les expériences complémentaires

Les oscillations de neutrinos sont à l’origine de nombreuses expériences. L’expérience Icarus prendra place également au LNGS, utilisant un détecteur de 600 tonnes d’argon liquide pour y détecter les neutrinos. Aux États-Unis, l’expérience Minos s’apprête à mesurer avec une grande précision les paramètres de ces oscillations en observant la disparition d’une partie de son faisceau, prenant ainsi la suite de l’expérience K2K au Japon.
Les progrès accomplis sont déjà très grands, couronnés par deux prix Nobel en 2002 et le futur de la physique des neutrinos s’annonce passionnant. Parions que d’ici une dizaine d’années, le neutrino nous aura livré bon nombre de ses mystères…

 

Pour en savoir plus

Contact chercheur

  • Jean-Éric Campagne, Tél : 01 64 46 84 29
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