Les neutrinos

Les neutrinos sont des particules énergétiques que l'on trouve dans l'Univers. Ils existent en nombre très important: pour chaque proton que l'on trouve dans l'Univers, il existe 1 milliard de neutrinos, soit 300 par cm³. Alors que les neutrinos surpassent, de loin, en nombre, tous les atomes de l'Universe, ils n'interagissent que rarement avec la matière, ce qui les rend difficiles à détecter. Les neutrinos qui, finalement, sont des particules subatomiques de très petite taille, n'interagissent qu'avec la force faible et la gravité. Cette propriété interactive permet cependant aussi aux neutrinos de pouvoir rapidement s'échapper d'endroits d'où la lumière ne peut pas le faire facilement -ainsi du coeur d'une étoile qui s'effondre- ainsi que de pouvoir traverser l'Univers presque sans être ralentis ou arrêtés. Ce sont des particules invisibles, qui n'ont quasiment pas de masse et qui peuvent traverser à peu près toute forme de matière (1 milliard de neutrinos traversent le corps humain chaque seconde, par exemple). Les neutrinos peuvent également traverser de forts champs magnétiques, le gaz interstellaire, les nuages de poussière et même le coeur des étoiles! Les neutrinos sont les restes du Big Bang. Les neutrinos existent en trois variétés (des "flavors", en anglais): le neutrino électron, le neutrino muon et le neutrino tau et ces trois neutrinos peuvent changer de variété au cours de leur trajet; une quatrième variété, le "neutrino stérile", pourrait exister et il interagirait encore moins que les autres avec la matière. Des découvertes récentes, fondées sur des observations en cosmologie, estiment la masse combinée de l'ensemble des trois variétés à moins d'un millionième la masse d'un électron... On pense qu'ils trouvent leur origine des évènements les plus énergétiques et les plus lointains de l'Univers: les quasars, les explosions rayons-gamma, les supernovas, les trous noirs ou les fusions de galaxies; les neutrinos apparaissent lorsque des rayons cosmiques interagissent avec l'environnement et produisent ces particules sans charge électrique et à masse négligeable. Une autre "espèce" de neutrinos, moins énergétique, est créée lorsque les rayons cosmiques atteignent l'atmosphère terrestre. Les neutrinos à haute énergie voyagent à peine en-dessous la vitesse de la lumière et ils interagissent rarement avec le reste de la matière (ce qui leur permet de franchir de très longues distances). L'existence de neutrinos de basse énergie a été prouvée en 2014 et ces neutrinos font partie des tout débuts de la production d'énergie au centre du Soleil: celle-ci provient de la transformation de deux protons d'hydrogène en deutérium et l'un de ces protons se transforme en neutron, processus qui émet un neutrino et un positron (la particule d'anti-matière de l'électron). La réaction proton-proton donne 90% de tous les neutrinos solaires (le Soleil émet aussi d'autres types de neutrinos) mais ils n'ont qu'une énergie relativement basse. Ces neutrinos à basse énergie fournissent aussi un instantané de ce qui se passe au coeur du Soleil puisqu'ils arrivent à la Terre 8 minutes après avoir été créés. Les neutrinos-électrons se transforment aussi, pendant leur voyage en provenance du coeur du Soleil, en deux autres types: les neutrinos tau et les neutrinos muon. La Terre est constamment bombardée par les neutrinos solaires mais ceux qui viennent d'au-delà le système solaire peuvent être des millions ou des milliards de fois plus énergétiques. Les neutrinos remplissaient l'Univers à ses débuts. Selon les nouvelles théories spéculatives qui remettent en question la théorie de la Relativité d'Einstein (ainsi la théorie des cordes ou la "loop quantum gravity"), les neutrinos pourraient se déplacer à une vitesse supérieure à celle de la lumière. Selon la Relativité, le simple fait que les neutrinos ait une masse, fût-elle faible, entraîne qu'ils devraient respecter la constante universelle qu'est cette vitesse. Dans le cas où ils la dépasseraient, on estime que leur vitesse le ferait dans une proportion de 5 pour un milliard de milliards de milliards

Ce fut le physicien français Henri Becquerel, qui découvrit la radioactivité en 1895, qui initia l'étude des neutrinos. En 1930, Wolfgang Pauli, alors qu'il étudiait un processus radioactif appelé "radioactivité beta", suggéra que ce dernier impliquait vraisemblablement une nouvelle particule subatomique. Pauli, après sa découverte, avait dit: "Je viens de faire quelque chose de dramatique! J'ai postulé l'existence d'une particule que l'on ne peut pas détecter..." De telles particules, extrêmement légères et électriquement neutres, permettaient d'expliquer une apparente violation de la conservation de l'énergie dans la radioactivité de certains noyaux atomiques instables. Fermi, en 1933, appela ces nouvelles particules des "neutrinos" (ce qui, littéralement, se traduit par "petit élément neutre") et il continua les calculs. Il fallut ensuite attendre 1956 pour que l'on puisse détecter, pour la première fois, un neutrino. Ce sont les physiciens Frederick Reines et Clyde Cowan qui détectèrent la preuve que des neutrinos interagissaient dans un mélange liquide qui se trouvait à côté d'un réacteur nucléaire. Les neutrinos provenant des réactions nucléaires du coeur du Soleil ne furent observés qu'en 1968. Ce fut la supernova 1987A qui, en 1987, explosant dans une galaxie proche, permit aux théoriciens d'attendre l'arrivée des neutrinos qui se détectent plus nettement que la lumière; et effectivement, quelques heures avant que n'arrive la lumière de 1987A, on détecta une brève bouffée de neutrinos au Japon, aux Etats-Unis et en Russie; 1987A devint ainsi la première source de neutrinos identifiée au-delà du système solaire

Les neutrinos sont intéressants en ceci, d'une part, qu'ils sont utilisés pour donner de l'information sur les objets qui les émettent. D'autre part, du fait qu'ils peuvent traverser des milieux et objets que les autres radiations ne traversent pas, ils peuvent également donner de l'information sur des milieux et des objets physiques auxquels on n'aurait jamais pensé. Le principe, pour détecter les neutrinos -par exemple, le projet AMANDA, au pôle sud- est que l'on fait bloquer, par la masse de la Terre toute entière, toutes les radiations et les particules autres que les neutrinos: ainsi, au pôle sud, on observe les neutrinos qui ont traversé la Terre depuis le pôle nord. On compte alors les neutrinos par le moyen du muon (une particule chargée) qu'ils émettent: lorsqu'un neutrino traverse la Terre et qu'il y heurte un proton, il émet un muon; le muon émet une lumière bleue, dite "radiation de Cherenkov", que certains qualifient d'équivalent optique d'un boum supersonique. Un tel évènement est rare, cependant: moins d'un neutrino sur 1 million heurte un proton en traversant la Terre de pôle à pôle! Un neutrino pourrait traverser un bloc de plomb d'1 année-lumière de large, sans heurter un seul de ses atomes

Un problème, avec les neutrinos, est que, selon la théorie qui prédit le nombre de neutrinos qui viennent du Soleil, on devrait donc observer ledit nombre depuis la Terre. Mais en fait, non. On a finalement découvert que la question des neutrinos solaires provenait d'une mauvaise compréhension des neutrinos: ceux-ci peuvent changer de type au long de leur journée depuis le Soleil, ce qui rend donc compte de la différence entre leur nombre prédit et leur nombre réel. La découverte a également mené les astronomes à théoriser que les neutrinos ont en fait une masse -ce qui, d'ailleurs, leur donne leur seul aperçu de lois physiques au-delè le Modèle standard. On pense que les neutrinos présentent 3 flagrances, lesquelles se transforment les unes en les autres au cours de leur voyage depuis le Soleil. Une autre équipe, au Japon, cette fois, en décembre 2002, travaillait sur les neutrinos (en fait des anti-neutrinos) émis par les centrales nucléaires japonaises a, elle, trouvé que le nombre des neutrinos observés était moindre que le nombre des neutrinos émis (on connaissait, dans ce cas, de plus, très précisément le nombre des neutrinos émis puisque, travaillant sur des centrales nucléaires, ce nombre était connu avec précision). Cela signifiait donc que des neutrinos se perdaient en route, entre le moment de leur émission et le moment de leur observation! La vue générale à adopter sur cette question est peut-être qu'il y a bien différence entre le nombre émis de neutrinos et le nombre observé mais que cette différence se fonde peut-être sur le fait que les neutrinos changent d'identité. La masse du neutrino serait d'un mille milliardième de fois inférieur à la masse d'un atome d'hydrogène et 0,28 électron-volt. Il se pourrait que l'abondance des neutrinos dans l'Univers fasse qu'ils aient un effet cumulatif sur la distribution de la matière dans celui-ci, donc sur la formation de ses structures à grande échelle. Par ailleurs, il semble que les neutrinos ont joué, en relation avec la matière noire, un rôle important au moment de l'"époque de la recombinaison", l'une des étapes fondamentales de l'histoire de l'Univers. Les neutrinos peuvent également permettre l'approfondissement de la physique des particules car ils concernent des énergies bien au-delà des possibilités des accélérateurs de particules