Cet article est un article de démonstration autour des neutrinos et de l’expérience JUNO
Saviez-vous que, maintenant, vous êtes traversés par de nombreuses particules ? En effet, il y a la radioactivité naturelle. En plus de la radioactivité, il y a les neutrinos, plus évasifs. Pour vous donner une idée de leur niveau de discrétion, sur des millions de milliards de neutrinos passant à travers la Terre, seulement un interagira. Les neutrinos ont été théorisés par Pauli en 1930 pour résoudre un problème de disparition d’énergie. En effet, une partie de l’énergie issue de la décroissance d’éléments radioactifs disparaît. Il doit y avoir une particule manquante ! Cependant, le neutrino est si évasif qu’il n’a pu être détecté que 26 ans plus tard, grâce à une meilleure technologie. Il a en effet été détecté en 1956 par Reines & Cowans, en utilisant un réacteur nucléaire.
Les neutrinos sont un genre de leptons, le type de particules des électrons, muons et particules tau. Il y a trois types de neutrinos et de leurs antiparticules associés – neutrinos électroniques, muoniques, et tau. Ces types sont appelés « saveur ».
Mais que peut nous raconter cette particule?
Cette question va de pair avec une autre – Comment sont générés les neutrinos ? Hé bien, les neutrinos sont produits par la décroissance de particules plus instables selon l’interaction faible. Donc, à partir du moment où il a des particules instables, il y a des neutrinos. Cela inclut également la radioactivité !
Les neutrinos proviennent d’environnements où des particules instables peuvent être générées et décroître. Ces environnements sont généralement le théâtre d’événements de haute énergie, comme des supernovas – L’effondrement d’étoiles massives – ou plus humblement de réactions nucléaires.
Comme les neutrinos interagissent à peine, les mesurer pourraient conduire à sonder et détecter ces environnements. Une supernova apparaît ? Un signal de neutrinos peuvent vous en tenir informé. Comme les neutrinos sont moins réactifs que la lumière elle-même, ils arrivent avant la lumière, vous informant de l’événement avant que vous ne puissiez le voir ! De même, les neutrinos peuvent être utilisés pour sonder des environnements opaques, comme l’intérieur de la terre ou du soleil.
L’oscillation des neutrinos – Défier le modèle standard de la physique des particules
À un niveau plus fondamental, cette particule a une propriété intéressante, appelée « oscillation des neutrinos ». Cette propriété n’est pas permise par le modèle standard de la physique des particules, le jeu de théories le plus complet décrivant comment la matière interagit à un niveau fondamental. Ce modèle prédit un neutrino sans masse. Cependant, l’oscillation des neutrinos n’est possible que si les neutrinos ont des masses. Comme les saveurs, les neutrinos ont trois états de masse. Plus spécifiquement, l’oscillation des neutrinos n’est possible que si chaque saveur est composée d’un état superposé de différentes masses.
En voyageant à travers la matière, le neutrino transite d’une saveur vers une autre. C’est comme avoir un crayon bleu qui devient rouge pour devenir vert.
D’accord, mais s’ils interagissent peu, comment on les détecte ?
Pour faire court – On utilise beaucoup de matière !
Les neutrinos interagissent à travers l’interaction faible. Cette interaction est transmise par un boson neutre ou électriquement chargé. Un boson est une particule qui transmet des propriétés physiques, comme l’énergie ou l’impulsion, mais également la charge électrique, d’un émetteur vers un récepteur.
Ce boson peut chasser un noyau, provoquant son mouvement. Autrement, il peut le casser. Les particules filles vont pouvoir interagir avec l’environnement. De plus, avec l’aide de ce boson, les neutrinos (ou plus précisément les anti-neutrinos électronique) peut employer un procédé nommé décroissance bêta inverse, où ils se transforment en un positron et transmutent le proton en un neutron.
Un exemple d’un programme d’observatoire de neutrinos ambitieux – JUNO
JUNO, pour Jiangmeng Underground Neutrino Observatory (Observatoire souterrain de neutrinos de Jiangmeng), est un tout nouveau complexe de recherches construit dans la province de Guandong, dans le sud de la Chine. Il devrait être actif cette décennie, durant au moins six ans. Le noyau de JUNO est localisé 693 mètres de roche pour le protéger des muons atmosphériques.
Le noyau de JUNO est une boule de scintillateur liquide d’à peu près 20 kilotonnes. Dans cette boule, le positron produit par décroissance bêta inverse s’annihilera avec un électron et produira une paire de photons. Le neutron induit sera capturé par un autre atome, et libère également un photon dans le processus. Les photons émis seront collectés par un réseau de photomultiplicateurs entourant la boule.
L’objectif principal de JUNO est de donner une mesure de précision des masses relatives des états de masse des neutrinos à travers une mesure de l’oscillation des neutrinos. À travers cette activité, l’observatoire gardera un œil sur d’autres sources de neutrinos, comme le Soleil, des supernovas, ou d’autres sources plus exotiques.
Pour optimiser ses recherches, JUNO est localisé à exactement 53 kilomètres de deux centrales nucléaires. Cette distance est la meilleure pour obtenir un maximum d’oscillation. En effet, à cette distance, la plupart des anti-neutrinos électroniques produits par les réacteurs ont oscillé vers une autre saveur.
Une petite particule qui a beaucoup à dire
Pour résumer, cette « particule fantôme », comme Pauli l’a nommée lui-même, nous racontera les mystères cachés de la Terre et du Soleil, tout en nous tenant informés des événements catastrophiques du Ciel, si nous sommes suffisamment gros pour l’écouter. Ses propriétés internes défient même l’une des théories les plus robustes de la physique !
Cette décennie, observez JUNO mais également d’autres détecteurs comme Hyper-Kamiokande, KM3NeT ou DUNE pour en apprendre plus sur ce messager de confiance !
Dites-nous ce que vous pensez de cette charmante particule, ou si vous souhaitez explorer d’autres sujets en commentaire !
Cet article a été inspiré par des connaissances académiques et l’article « JUNO Physics and Detector » rédigé par la collaboration JUNO, publié le 14 Mai 2021. Vous pouvez le trouver ici : https://arxiv.org/abs/2104.02565 (DOI : https://doi.org/10.48550/arXiv.2104.02565)
Pour aller plus loin, je vous recommande ce manga plutôt mignon sur les Neutrinos publié en 2019 : https://www-he.scphys.kyoto-u.ac.jp/nucosmos/en/index.html
Si vous souhaitez en apprendre plus sur la découverte du Neutrino, vous pouvez regarder cet article (The Reines-Cowans Experiment ~ Detecting the poltergeist, publié dans Los Alamos Science le 25 Novembre 1997)
Jean-Baptiste Cognée