Un bref historique du neutrino

Ce qui a amené la découverte des neutrinos

La découverte du neutrino ne s'est pas faite en une journée. Il a fallu des dizaines d'années avant de penser au concept du neutrino, puis encore près de trente ans avant de le détecter. Tout ce branle bat de combat a commencé avec la découverte de la radioactivité.

En 1896, Henri Becquerel et Pierre et Marie Curie découvrent que certains éléments (l'uranium pour Becquerel, et le radium pour les Curie) émettent des rayonnements étranges. C'est la radioactivité. Ces rayonnements sont ensuite étudiés par plusieurs grands physiciens, dont Rutherford et Villard qui ont su montrer en 1899 et 1900 qu'il y a trois types de rayonnements, soit a, et ?.

Les quelques années qui ont suivi ont permis de découvrir la nature de ces rayonnements. Pour le rayonnement a, il s'agit d'un noyau d'hélium, soit deux protons et deux neutrons, (aussi appelé particule a) qui s'échappe du noyau radioactif ; le rayonnement est un électron qui s'échappe du noyau radioactif ; le rayonnement ? est un photon de haute énergie (plusieurs MeV) qui s'échappe du noyau radioactif.

Or, le rayonnement bêta devait fournir un électron de masse bien définit. Ce n'est cependant pas le résultat obtenu en 1914, entre autre par James Chadwick, après plusieurs années de recherche sur la désintégration pendant lesquelles ont a détecté un spectre d'énergie continu de l'électron. Cette découverte a amené un doute dans la communauté scientifique sur la validité du principe de conservation d'énergie.

 

L'hypothèse de Pauli jusqu'à la grande découverte

Il faut attendre jusqu'en 1930 pour trouver une solution à ce déficit d'énergie. C'est Wolfgang Pauli qui propose l'existence du neutrino. Pauli imagine une particule indétectable pour l'époque de charge neutre qui serait engendrée dans une réaction nucléaire, d'où son nom neutrino, proposé par Fermi pour le distinguer du neutron, qui veut dire « très petit neutre » en italien. C'est le fait qu'elle soit neutre de charge qui la rend difficile à détecter, car elle ne crée pas de courant. Aussi, Pauli imagine que la masse du neutrino est moindre que celle de l'électron. Il envisage même que sa masse soit nulle. Il émet cependant l'hypothèse que le neutrino possède un spin d'1\2.

À partir de ce moment, les physiciens se sont mis à l'étude de cette nouvelle particule hypothétique, cherchant des moyens de détection. Ils auront du fil à retordre, car dès 1934, Bethe et Peierls démontrent que la section efficace du neutrino serait de l'ordre de un milliardième de celle de l'électron.

 

Pendant les années 40, toutes les études s'entendent pour dire qu'un seul neutrino est produit durant la réaction bêta. Cependant aucune détection n'a été effectuée. Depuis la démonstration que le tritium est radioactif, c'est la désintégration bêta du tritium qui a délimité le mieux la masse du neutrino.

 

Malgré l'horreur de l'explosion de la première bombe atomique en 1945, les physiciens y voient une source généreuse de neutrino. Certains prévoient metre un détecteur de neutrinos près d'une telle explosion, mais une solution plus pacifique vient avec le réacteur nucléaire de Hanford, dans l'état de Washington. C'est en 1953 que le premier détecteur y est placé par Reines et Fermi, mais les résultats sont peu concluants. Ils recommencent leur expérience avec une amélioration notable du point de vue du bruit de fond en 1956, et c'est à qu'ils détectent pour la première fois des neutrinos.

 

Recherche et problématiques

Suite à cette grande découverte, les recherches qui suivront vers la fin des années 50 seront pour différencier le neutrino électronique du neutrino muonique. Dès lors, plusieurs scientifiques travaillent pour faire un faisceau de neutrinos à partir de la désintégration du pion. Un détecteur est aussi construit : les chambres à étincelles. En 1962, tout est prêt. Des 40 neutrinos détectés, seuls 6 d'entre eux proviennent d'une réaction avec un électron, les autres sont des muons. Si les neutrinos électroniques étaient les mêmes que les neutrinos muoniques, il y aurait la même proportion des deux réactions. Donc le neutrino muonique existe.

 

Durant les années 60-70, les découvertes touchent surtout les quarks et les leptons (dont font parti les neutrinos). On associe d'ailleurs les deux familles de quarks découvertes avec les deux familles de leptons.

En 1977, la découverte de la troisième famille de quarks par l'équipe de Lederman et du tau par Perl fait sentir la présence du neutrino tau, pas encore observé à ce jour.

 

Il reste encore deux problèmes majeurs au sujet des neutrinos : on observe un déficit de neutrinos solaires inexplicable, et on ne connaît pas la masse des neutrinos, ni s'ils en ont une.

Durant les années 80, on propose l'idée « d'oscillation » des neutrinos, c'est-à-dire que les neutrinos, s'ils ont une masse non nulle, peuvent changer de saveur. Cette théorie pourrait expliquer le déficit de neutrinos électroniques provenant du soleil. L'oscillation ne sera pas détectée avant 1998 au KAMIOKANDE, au Japon.

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