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Le neutrino, une particule étrange aux propriétés magiques.

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Depuis toujours le neutrino est entouré d’une aura de mystère et de complexité. Déjà a sa naissance, en 1930, lorsque pour expliquer la continuité du spectre des désintégrations bêta sans remettre en cause le sacro-saint principe de conservation de l’énergie, Wolfgang Pauli suggère l’existence d’une particule sans masse, sans charge et de très faible interaction. C’est ainsi que le neutrino vit le jour. D’abord appelé neutron par Pauli, le nom fut changé après 1932, date à laquelle Chadwick découvrit le neutron de l’atome, en neutrino (« petit neutre » en italien) par Enrico Fermi. Il fallut néanmoins attendre presque 30 ans pour que le jour vît le neutrino, en 1956, lorsque Frederick Reines et Clyde Cowan observèrent, par le processus inverse de désintégration bêta, le premier neutrino.

Du modèle Standard au neutrino de Majorana

Les recherches en physique des particules menées au cours du demi-siècle dernier ont abouti à un ensemble simple et cohérent, le Modèle Standard. Il reconnaît 12 particules élémentaires, à savoir 6 quarks et 3 paires de leptons, organisées en 3 familles, ainsi que leurs 12 antiparticules associées :

Les particules élémentaires
  1ère Famille 2ème Famille 3ème Famille
Quarks u "up"
d "down"
c "charm"
s "strange"
t "top"
b "bottom"
Leptons e electron
\nu_e neutrino electronique
\mu muon
\nu_\mu neutrino muonique
\tau tau
\nu_\tau neutrino tauique

Les quatre interactions fondamentales connues (gravitation, électromagnétisme, interactions faible et forte) sont décrites par un échange de particules médiatrices entre ces quarks et leptons, les bosons.

Le neutrino du Modèle Standard est sans masse, de charge nulle et il apparaît sous trois saveurs (e, μ et τ). Il interagit exclusivement par voie faible : au cours d’une désintégration β par exemple, un quark u d’un neutron se transforme en quark d en émettant une particule chargée, le boson W-, formant par désintégration la paire électron-antineutrino.

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Fig. 1. Décroissance β

Le Modèle Standard a longtemps fait ses preuves, non pas seulement dans la compréhension de la physique des particules, mais également à travers de nombreuses prévisions précises, annoncées puis vérifiées. Il possède néanmoins des limites.

Le phénomène d’oscillation des neutrinos (transition d’une saveur à l’autre au cours du déplacement du neutrino) observé par l’expérience Super-Kamiokande en 1998 et confirmé depuis par de nombreuses expériences dont SNO et KamLAND, prouve que les neutrinos ont une masse non nulle et indique donc une physique au-delà du modèle standard.

Les expériences d’oscillation ne permettent pas de mesurer une masse absolue mais uniquement des différences de masse. Or il est très important de connaître la masse des neutrinos, qui nous le savons déjà est extrêmement faible (au-moins 1000 fois plus petite que la masse de l’électron), ce qui constitue déjà en soit une énigme.

De plus, il est nécessaire de connaître la nature du neutrino : Ettore Majorana a montré que, du fait de sa neutralité, le neutrino peut être identique à son antiparticule (dans ce cas ont dit que le neutrino est une particule de Majorana, une particule de Dirac dans le cas contraire). Les modèles les plus plausibles de formation de l’Univers nécessitent un neutrino de Majorana pour expliquer l’asymétrie matière - antimatière ! On voit donc que le neutrino, bien que très léger, a peut-être eu un poids très fort dans la formation de l’Univers !

Si le neutrino est de Majorana, alors, un processus interdit par le Modèle Standard devient possible : la double désintégration bêta sans émission de neutrino. Et contrairement aux expériences d’oscillation, l’étude de cette désintégration apportera - en plus de résoudre l’énigme de la nature du neutrino - une mesure de sa masse absolue.

La Double Désintégration Bêta

La double décroissance bêta avec émission de neutrinos, notée 2β2ν, est une désintégration rare dont la période approche les 1019 ans, mais c’est un processus observé : pour certains noyaux, la simple désintégration β vers le noyau suivant est énergiquement impossible mais deux désintégrations simultanées sont permises.

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Fig. 2. Décroissance double beta

Si le neutrino est de Majorana, un des antineutrinos émis peut être vu comme un neutrino par le deuxième neutron et est alors absorbé dans le second processus au lieu d’être émis. Il n’y a alors pas d’émission de neutrinos. Ce processus, s’il existe, serait encore bien plus rare que la désintégration 2β2ν, d’une période proche des 1025 ans !

C’est en mesurant précisément l’énergie des deux électrons émis qu’il est possible de distinguer ces deux processus : s’il y a émission de neutrinos, les électrons n’emportent qu’une partie de l’énergie Qββ fournie par la désintégration tandis que sans, la somme de leurs énergies vaut exactement Qββ et le spectre présente alors une raie d’énergie fixe.

C’est le signal que les expériences de double-bêta, comme NEMO, cherchent à observer.

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Spectre double beta