Les propriétés des neutrinos

Une place pour chaque chose et chaque chose à sa place, tel dit le proverbe. Mais est-ce que le neutrino serait l'exception qui confirme toute les règles ? Depuis les années 70, un modèle théorique nous a permis de classer les particules selon des critères bien précis. La force qui s'applique aux particules, ainsi que leurs spins respectifs, la famille auxquelles elles appartiennent (fermions pour les particules de matière et les bosons pour les particules de forces) sont autant de points qui nous permettent de dissocier les différentes particules, mais qu'en est t'il de la masse ? Est-ce un critère valable ? Certes oui, mais le neutrino pose problème.

Les neutrinos appartiennent à la famille des leptons, ils ne subissent pas l'interaction forte, ont une charge nulle, un spin ½, imposés la désintégration Bêta, et surtout une masse nulle, comme le prédit le modèle standard. Le neutrino est probablement la plus mystérieuse du modèle standard. Ceci est dû au fait qu'elle n'est soumise qu'à la force faible.

Le neutrino possède-t-il un moment magnétique ? La question n'a pas de réponse actuellement, mais tout dépend de l'approche que l'on a de cette notion.

L'image classique [1] veut que le moment magnétique soit une quantité mesurable représentant le spin ou le moment cinétique de la particule. Le moment cinétique est relié à la vitesse de rotation de la particule sur elle-même. Un autre point de vue sur la question présente le moment magnétique comme une quantité mesurable représentant une des composantes électromagnétiques de l'interaction de la particule. Dans le cas du neutrino, le moment magnétique permet une interaction électromagnétique avec les électrons. Si son moment magnétique est par exemple de 10 -20 MeV/Tesla et si son énergie est d'environ 2 MeV, alors sa probabilité d'interagir par interaction électromagnétique devient du même ordre de grandeur que sa probabilité d'interagir par interaction faible. Des expériences ont été mises au point et testées par Reines en 1976 ou en 1992 par Kranoiarsk en observant la diffusion des neutrinos sur les électrons des atomes. La seule valeur obtenue est une majoration, 5.8 10 -20 MeV/Tesla [1] qui avérerait être la limite supérieure du moment magnétique du neutrino électronique.

Le neutrino a-t-il une masse nulle comme le supposait Fermi en nommant cette particule : le petit neutre ? Si c'est la cas il y a une contradiction avec le modèle standard.

Des mesures à l'aide d'un spectromètre magnétique d'impulsion ont été effectuées afin de déterminer si le neutrino possédait bien une masse. On utilise la désintégration Bêta, pour mettre à jour l'allure du spectre en énergie. On considère que la différence d'énergie qu'il y a entre le spectre de l'atome père et celui du fils représente l'énergie du neutrino issu de la désintégration. Cette différence représenterait simplement la masse du neutrino, s'il en a une évidemment.

Cette expérience a ses propres limites, autant du point de vue du comptage :on doit avoir un temps d'acquisition assez longtemps afin d'avoir assez d'évènements ; que du point de vue de la précision de la mesure. Avec ces méthodes on n'est pas à l'abri du risque que cette différence d'énergie soit due à une perte intrinsèque à l'expérience. Comme pour le moment magnétique, nous sommes arrivé à une majoration de la masse du neutrino, en effet elle ne peut excéder 8 eV [2].

Une hypothèse qui serait liée à la masse mettrait en lumière un phénomène d'oscillation du neutrino d'une saveur à une autre. Ainsi, on définit trois neutrinos qui ont des saveurs différentes et il faut savoir qu'à chaque lepton chargé (électron, muon, tau) ont associe un lepton neutre ou neutrino (u e ,u m ,u t ). :

•  Electronique

•  Muonique

•  Tauique

Les mesures des grandeurs caractéristiques de ces différents neutrinos donnent [1]:

Spin Spin Masse Moment magnetique Section efficace sur Nucleon a 1 GeV
nu_e 1/2 < 2.8 eV < 5.8 10 -20 MeV/T environ 10 -38 cm 2
nu_mu 1/2 < 170 keV < 4.3 10 -20 MeV/T environ 10 -38 cm 2
nu_tau 1/2 < 18.2 MeV < 3.1 10 -17 MeV/T environ 10 -38 cm 2

C'est à dire qu'un neutrino électronique va se transformer en muonique et en tauique.

Le spin est de valeur ½ pour les trois saveurs du neutrino, ce qui va dans le sens du modèle standard pour les leptons. Mais qu'en ait il de son antiparticule. La conservation de la charge électrique et celle du nombre leptonique, nous permet de savoir si les leptons sont des particules ou des antiparticules.

Les neutrinos ont une hélicité droite et leurs antiparticules une hélicité gauche, il faut définir ce concept :

Helicite: La direction du spin est celle d'un tire-bouchon qui tournerait dans le même sens que la particule, le spin représente la rotation de la particule sur elle-même. Si la projection de ce spin est en sens contraire de la vitesse de la particule on a affaire à une particule d'helicite gauche. Dans le cas contraire, la particule est d'helicite droite. Les neutrinos sont d'hélicité gauche et leurs antiparticules d'héliciter droite et ceci indépendamment qu'ils aient une masse ou non. Une autre propriété doit être présenté ce qu'on appelle la chiralité.

La chiralité elle aussi est droite ou gauche, cette distinction, arbitraire en général, peut-être basée sur le sens de rotation du plan de polarisation d'un faisceau lumineux traversant la substance que l'on teste. Si le plan de polarisation tourne vers la gauche, on dit que les particules sont de chiralité gauche, dans le cas contraire elles sont de chiralité droite. Cette différence est un grand mystère qui pourrait être lie à l'asymétrie de l'interaction faible , donc aux neutrinos.

Un neutrino peut être indifféremment de chiralité droite ou gauche... Mais le neutrino de masse nulle sera de chirality gauche...

Cependant, si les neutrinos possédaient une masse non nulle, il sera alors égal à son antiparticule, et cela permettra de prévoir des double-désintégrations Bêta sans émission de neutrinos. Mais cela n'a toujours pas été observé.

Autre propriété, ou plutôt éventualité qu'en a la masse du neutrino en rapport avec les symétries citées ci-dessus.

Du nom de son inventeur, le neutrino de Majorana, est le résultat d'une hypothèse formulé par un physicien italien en 1937. Si sa théorie s'avérait bonne, la particule et son anti-particule serait une seule et même entité. Explicitons sa théorie de façon succincte :

La double-désintégration Bêta classique correspond simplement à la transformation simultanée de deux neutrons en deux protons (ou le contraire). Il y a donc émission de deux électrons (ou positrons) et de deux antineutrinos (ou deux neutrinos). La désintégration Bêta est déjà un événement assez peu probable, de part le fait qu'elle est régie par l'interaction faible. La probabilité de voir deux tels événements se produire en même temps est donc infime. Ce qui peut s'écrire :

Ce processus est viable puisqu'il ne viole aucune règle, mais a une durée de vie de centaines de milliards de milliards d'années, ce qui rend sa détection impossible statistiquement, car c'est un évènement infiniment rare.

Une réaction beaucoup plus probable qui est la base de la théorie de Majorana, est l'existence d'une double désintégration Bêta sans production de neutrinos. En fait il y aurait production d'un neutrino et de son anti-neutrino qui s'annihilerait. Le propre de cette théorie repose sur l'hypothèse que les neutrinos possèdent une masse non nulle. L'équation ci-dessous illustre la réaction :

Les équations de désintégration Bêta citées plus haut impliquent que le neutrino soit égal à son antiparticule. Ce n'est pas une hypothèse très peu probable, par exemple, le photon est sa propre antiparticule.

Un problème se pose qu'en à l'hélicité. En effet, les équations ci-dessus nécessiteraient que le neutrino d'hélicité gauche soit égal à l'antineutrino d'hélicité droite. Mais cela est impossible. Il faut donc que l'hélicité change entre les deux réactions, et cela implique que la masse du neutrino soit nulle.

Au vue de la probabilité en rapport avec la première réaction, s'il y a une double désintégration elle sera systématiquement sans production de neutrino/antineutrino et donc on parlera de neutrino de Majorana et de masse nulle

Les expériences qui recherchent la désintégration sans neutrino n'ont encore rien donné...si ce n'est des limites. Les neutrinos ne semblent toujours pas décidés à révéler leurs secrets. En effet une expérience Germano-Russe dans le tunnel du Grand Sasso qui utilise le Germanium-76 (élément dont il est possible d'observer la désintégration ) a permis de préciser que cet élément avait une vie moyenne supérieure à 3*10 E 27 années, ce qui illustre bien la difficulté d'observer une telle réaction.

 

[1] http://wwwlapp.in2p3.fr/neutrinos/nkes.html

[2] http://membres.lycos.fr/neutrino/masse.htm

[3] http://bgoglin.free.fr/physique/particules.php

[4] http://bgoglin.free.fr/physique/neutrinos.php

[5] http://wwwlapp.in2p3.fr/neutrinos/doublebeta.html

[6] http://wwwlapp.in2p3.fr/neutrinos/nkes.html

[7] http://wwwlapp.in2p3.fr/neutrinos/nresult.html

 

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