Oscillation de neutrinos

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L'oscillation du neutrino est un phénomène de la mécanique quantique, selon lequel un neutrino créé avec une certaine saveur leptonique (électron, muon ou tauon) peut être mesuré plus tard en ayant une saveur différente.

La probabilité d'avoir une mesure donnée de cette saveur varie de façon périodique alors que la particule se propage. L'oscillation du neutrino est d'intérêt tant théorique qu'expérimental, puisque l'observation de ce phénomène implique la non-nullité de la masse de la particule, ce qui ne rentre pas dans le cadre du modèle standard de la physique des particules.

Il existe 3 saveurs de neutrino pour chacun des leptons chargés :

  • le neutrino électronique νe ;
  • le neutrino muonique νμ ;
  • le neutrino tauique ντ.

Il s'agit en fait des états propres du lagrangien d'interaction, c’est-à-dire des seules solutions possibles de l'interaction faible. Or, le lagrangien de propagation, c’est-à-dire la manière dont les neutrinos se propagent, a des états propres différents, que l'on nommera ν1, ν2 et ν3. La matrice PMNS d'éléments Uαi où α est un état propre d'interaction ( e, μ ou τ) et i un état propre de propagation (1, 2 ou 3) permet de passer d'une base à une autre. Ainsi, un neutrino électronique créé lors d'une interaction est une combinaison linéaire des trois états propres de propagation. Ces trois états propres se propagent à des vitesses différentes. Donc, en fonction de la distance parcourue et de l'énergie du neutrino initial, la combinaison de ν1, ν2 et ν3 évolue. C'est pourquoi, à un certain point de propagation, la combinaison peut correspondre à celle d'un neutrino muonique ou tauique. Le neutrino initialement électronique a changé de saveur : il s'agit de l'oscillation du neutrino.

Le processus ne peut être observé qu'à deux conditions :

  • les états propres d'interaction et de propagation doivent être différents ;
  • les neutrinos doivent avoir des masses différentes, ce qui explique leurs vitesses de propagation différentes.

Historique[modifier | modifier le code]

En 1957-58, B. Pontecorvo considéra la possibilité d'une masse faible mais non nulle des neutrinos. La seule particule non massive connue est le photon pour une raison de symétrie. En effet, le principe d'invariance de jauge implique cette propriété mais il n'y a pas de tel principe pour les neutrinos. Pontecorvo a remarqué que rien n'impose que les états de saveurs des neutrinos soient des états propres de masse (propagation). Dans ce cas ils sont une combinaison linéaire des états propres de masse \nu_1, \nu_2 , \nu_3. De plus en supposant les masses des neutrinos très faibles ceci implique l'existence d'oscillations de neutrinos en analogie avec les oscillations K^0\leftrightarrow\overline{K^0} des kaons neutres. Il a aussi montré que l'étude des oscillations des neutrinos permet une mesure très précise de leur masse. En effet, les tentatives de mesures directes des faibles masses des neutrinos permettent seulement d'établir des bornes supérieures très imprécises à cause de la faible sensibilité permise par l'expérience comparée au domaine de masse des neutrinos.

Oscillations dans le vide[modifier | modifier le code]

Un état de masse est une superposition d'états de saveurs différents ; il interagit donc « faiblement » avec des couplages relatifs proportionnels aux coefficients de la combinaison linéaire correspondante. Comme ces coefficients varient suivant les oscillations, les couplages relatifs changent pendant la propagation.

Oscillations dans la matière[modifier | modifier le code]

Lorsque les neutrinos traversent la matière, leurs interactions (faibles) avec le milieu modifient leur propriétés. Un neutrino dans la matière peut échanger un boson Z avec un électron, un proton ou un neutron. Le modèle standard précise que les 3 saveurs de neutrino peuvent interagir de cette manière, et que l'amplitude de cet échange de Z est indépendant de la saveur. La matière étant électriquement neutre, pour l'interaction avec échange de Z les contributions des protons et des électrons s'annulent. Il reste un potentiel V_Z qui dépend seulement de la densité de neutron N_n et qui est le même pour les 3 saveurs. Le potentiel effectif pour les \nu_e induit par leurs interactions courant chargé (boson W) avec les électrons de la matière est calculé égal à V_W=\sqrt{2}G_FN_e ; N_e étant la densité électronique du milieu traversé et G_F la constante de Fermi. L'angle de mélange dans la matière \theta_m est différent de l'angle dans le vide. Si la densité du milieu traversé varie, \theta_m varie avec le temps au cours de la propagation et les états de masse sont fonctions du temps.

Preuves expérimentales[modifier | modifier le code]

Plusieurs expériences ont mis en évidence cette oscillation de neutrinos. En 1998, l'expérience Super-Kamiokande permet pour la première fois de mettre en évidence ce phénomène d'oscillation[1]. En 2010, des chercheurs travaillant sur l'expérience Opera annoncent avoir, pour la première fois, observé directement une oscillation du neutrino muonique vers le neutrino tau[2]. En juin 2011, ce sont des chercheurs du projet T2K qui observent pour la première fois une transformation du neutrino muonique en neutrino électronique[3].

θ13[modifier | modifier le code]

Les oscillations des neutrinos sont décrites à l'aide d'une matrice, analogue à la matrice CKM des quarks, informant des divers paramètres entrant en jeu dans l'oscillation : la matrice PMNS. L'un de ces paramètres, l'angle de mélange θ13 (prononcé theta un trois), constitue le paramètre sur lequel les scientifiques sont le moins informés et correspond à la probabilité qu'a un neutrino électronique d'osciller en une autre saveur[4]. L'analyse comparative du θ13 des neutrinos et des anti-neutrinos devrait permettre de savoir si ces particules violent bien la symétrie CP, mécanisme permettant de comprendre comment la matière a pris le pas sur l'antimatière dans notre univers[4].

Pour pallier ce manque de données, de nombreuses expériences scientifiques ont été menées depuis 1998 et chacune a permis d'améliorer la connaissance de ce paramètre (expérience Chooz[5], Double Chooz[6], Kamiokande, MINOS, T2K et Daya Bay[7]). Celle de Daya Bay, dont la mesure est la plus précise, estime sin² 2θ13 à 0.092 ± 0.016 (marge d'erreur statistique) ± 0.005 (marge d'erreur systématique), ce qui correspond à un angle d'environ 8.8° ± 0.8. Pour l'anecdote, le chiffre 8 en Chine est symbole de prospérité et de richesse. En avril 2012, l'expérience RENO (en) confirme le résultat avec un niveau de confiance de 6.3σ[8].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) Y. Fukuda, « Measurements of the Solar Neutrino Flux from Super-Kamiokande's First 300 Days », Physical Review Letters, vol. 81, no 6,‎ 10 août 1998, p. 1158–1162 (lire en ligne)
  2. « La particule caméléon surprise en pleine mutation », sur CERN Press Releases,‎ 2010
  3. Des neutrinos en flagrant délit de métamorphose, CNRS, le 15 juin 2011
  4. a et b (en) Daya Bay experiment makes key measurement, paves way for future discoveries sur le site Symmetry Breaking publié conjointement par le Fermilab et le SLAC
  5. (en) Limits on Neutrino Oscillations from the CHOOZ Experiment arXiv:hep-ex/9907037
  6. (en) Indication for the disappearance of reactor electron antineutrinos in the Double Chooz experiment arXiv:1112.6353
  7. (en) [PDF] Observation of electron-antineutrino disappearance at Daya Bay
  8. (en) Observation of Reactor Electron Antineutrino Disappearance in the RENO Experiment arxiv:1204.0626

Annexes[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]