Chapitre_XII

A propos des neutrinos
Le neutrino est la quantité de réel
la plus ténue jamais imaginée
par un être humain. (F. Reines)
Neutrino physics is largely an art of
learning a great deal by observing
nothing. (Haim Harari)
Voir l’Annexe I : ‘Historique des neutrinos’. Dans cette annexe est indiqué comment et pourquoi
l’invention du neutrino s’est imposée dans le paysage de la physique des particules élémentaires. Cette
invention provient de la validité affirmée des principes de la conservation de l’énergie et de la quantité
de mouvement exprimée dans le cadre de la relativité restreinte et de la conservation du moment
cinétique. Les ‘preuves’ premières de la soi-disant existence des neutrinos ne sont en aucun cas des
‘preuves’ directes mais par inférence.
Dans le chapitre 9 : ‘A propos de e/me’ nous avons émis l’hypothèse que la masse de
l’électron pouvait apparaître comme un symptôme, comme un effet moyen. Les travaux engagés par F.
Lurçat et J.Y. Grandpeix offrent une consistance certaine à cette hypothèse. Quid des particules sans
charge électrique comme les neutrinos ? C’est exactement le propos de ce chapitre. Avant tout
rappelons qu’en ayant concentré toute notre attention sur l’électron l’an passé nous nous sommes
concentré sur l’essentiel car tous les leptons chargés, in fine, se désintègrent en électron ou positron
avec les neutrinos associés. Quant aux quarks on ne peut pas les considérer comme des particules
chargées au sens strict du terme, loin de là, et nous aurons probablement l’occasion d’aborder ce sujet
cette année ou l’année prochaine.
μ+ →
e+ + νe
μ- →
e- + ν
τ- → eτ+
→ e+ + νe
e
μ
e
+ νμ
+ ντ mais aussi
τ-
→ μ- +
mais aussi
τ+
→ μ + + νμ +
τ
μ
+ ντ
τ
Nous ne pouvons pas raisonner comme si les neutrinos étaient des particules à part entière
simplement par le fait qu’ils n’ont pas d’identité propre, autonome, puisqu’on attache à chacun d’eux
une saveur qui les caractérise et les différencie. Chacune de ces saveurs rappelle le lien avec leur
origine soit électronique, soit muonique, soit encore tauique. La saveur constitue une donnée
1
empirique, une donnée aval que nous attachons au neutrino. (Aval car c’est une donnée qui s’impose
de fait, qui ne peut être théoriquement justifiée après coup, et encore moins ne peut être prédite, elle
est purement phénoménologique. Dans le corpus théorique disponible, de la physique des particules
élémentaires, rien ne permet de l’annoncer.) Je ne veux pas dire pour autant qu’il y aurait des
paramètres cachés qui seraient vecteurs de moyens de caractériser les neutrinos d’une façon plus
complète. Il se trouve que les neutrinos ne sont sensibles qu’à l’interaction faible (ceci expliquerait
pourquoi on ne peut pas capturer directement la masse des neutrinos car ce serait une donnée non
lisible dans le cadre de l’interaction faible pure) et celle-ci doit être considérée comme une source de
spécification limitée alors que, par exemple, l’interaction électromagnétique nous permet d’accéder
directement à la masse des particules qui y sont sensibles.
Les constructions théoriques qui autorisent une représentation mathématique des phénomènes les
plus probables concernant les neutrinos (notamment la propriété de l’oscillation) prennent appui sur la
déclaration suivante : ‘Les états de masse ne coïncident pas avec les états de saveur.’ Ce qui est
observable directement c’est la saveur. Il se trouve que la mécanique quantique offre des moyens de
traitement à ce genre de bizarrerie et nous savons si peu sur les valeurs propres de ces états de masse
que nous devons surtout éviter de considérer que les saveurs différentes oscillent (réellement) de l’une
à l’autre. Dans le respect des hypothèses avancées jusqu’à présent dans ce séminaire et en toute
logique il faut assumer de réfuter la déclaration : ‘les états de masse ne coïncident pas avec les états
de saveur’, parce que dans le nouveau contexte proposé, le concept d’ ‘état de masse’ n’a pas de sens
en ce qui concerne les neutrinos puisque sensibles uniquement aux interactions faibles. Ce qu’il faut
entendre c’est que la notion de masse est hors sujet à propos des neutrinos. Rappelons-nous que
pendant longtemps à partir de 1930 il a été entendu que les neutrinos avaient une masse nulle mais
évidemment m=0 et ‘m : hors sujet’, sont des affirmations qualitativement totalement différentes.
Enfin lorsque l’on a commencé à formuler l’hypothèse que les ν avaient une masse et que l’on a
commencé à l’évaluer c’est toujours en creux (ou par défaut) que l’on a fait des estimations (voir
Annexe I).
A travers ce que l’on appelle la saveur quelle est cette part de source origine indélébile
qu’emporte avec lui le neutrino ? Est-ce que ceci pourrait être considéré comme un zeste
‘d’intrication’ ?
Parmi les particules élémentaires du modèle standard, identifiées aujourd’hui, on constate que
les neutrinos ont un statut à part. En conséquence dans la phase primordiale de l’Univers ceux-ci ne
peuvent pas surgir concomitamment avec les autres, en effet ils doivent être précédés par ceux qui
2
signent leur saveur respective. Par exemple qu’en est-il de γ → νx
x?
A cette question, on peut
prendre en considération comme réponse partielle voire provisoire le commentaire de CohenTannoudji, p. 319-320, « pendant le règne de l’interaction électrofaible (10-11–10-35s) la valeur
moyenne du champ de Higgs est nulle. Cette nullité rend les bosons intermédiaires W, Z sans masse
comme le photon. Le Z0 et le γ deviennent totalement indiscernables. Au cours de cette période
d’autres particules se mettent à participer aux ébats : les neutrinos. Ceux-ci sont copieusement produits
dans les interactions faibles. Ainsi l’annihilation e+e- peut aussi bien donner des photons que des paires
de neutrinos-antineutrinos. »
Concernant le développement de l’hypothèse de l’oscillation des neutrinos je me réfère au cours
qui se trouve sur Claroline 51PH2QP4 ‘Questions ouvertes de la physique contemporaine’ et
particulièrement
au chapitre ‘Les neutrinos, curiosités de la
physique depuis 1930
jusqu’aujourd’hui’. En complément voir annexe II : oscillation des neutrinos 1 et 2 (in ‘Dictionnaire
de la physique’, Encyclopédie Universalis, édit. Albin Michel, p.229-230) et je vous conseille la
lecture des deux articles suivants : ‘Neutrino physicists get together down under’ in Cern Courier
septembre 2008, p.27, ainsi que ‘Borexino homes in on neutrino oscillations’ in Cern courier juin
2009, p.13 respectivement annexés en III & IV. Dans 51PH2QP4, je ne traite pas le problème de
l’oscillation des neutrinos en milieu matériel plus ou moins dense, je ne suis donc pas exhaustif sur ce
sujet1.
L’hypothèse de l’oscillation des neutrinos impose, dans le cadre du modèle standard qu’ils aient
une masse très petite, si petite, qu’on est conduit à concevoir des mécanismes spécifiques pour justifier
cette particularité. Certains théoriciens ont invoqué l’existence de deux types de neutrinos pour chaque
saveur : les uns seraient de masse nulle, les autres super massifs seraient décrits par une théorie qui
engloberait le Modèle Standard mais décrirait des phénomènes survenant à des énergies beaucoup plus
élevées et actuellement inaccessibles expérimentalement. Ces différents types de neutrinos
interagiraient les uns avec les autres, ce qui conduit à un résultat peu intuitif : les neutrinos de masse
nulle se verraient dotés d’une masse très petite, inversement proportionnelle à l’échelle de masse des
neutrinos super massifs. Ainsi, plus le neutrino lourd est massif, plus le neutrino léger correspondant
est léger. Cette idée originale, ad hoc, qui relie des masses très différentes est surnommée ‘mécanisme
de bascule’, ‘seesaw mechanism’. Ce mécanisme n’est toutefois possible que si le neutrino est sa
propre antiparticule, c'est-à-dire une particule de Majorana. Si cette hypothèse était vérifiée, il resterait
1
Ceux qui veulent approfondir ce sujet de la physique des neutrinos, je conseille le Dossier : Physique des neutrinos,
septembre 2005, Académie des sciences, Paris. Editeur : Elsevier.
3
à comprendre d’où viennent ces neutrinos super massifs et comment leur présence pourrait être
détectée autrement que par leur contribution aux masses des neutrinos légers !
Dans le monde particulaire, on distingue 3 types de symétrie. La symétrie du miroir ou parité
(opérateur P) qui fait que l’image d’une particule réelle dans un miroir est aussi une particule réelle.
La symétrie de charge (conjugaison de charge, opérateur C) qui associe deux particules identiques de
charges électriques opposées, comme l’électron et le positron. Enfin la symétrie de temps ou
renversement du temps, selon laquelle un processus physique observé en remontant le temps vers le
passé est identique à un autre processus observé normalement (opérateur T). Les physiciens savent
depuis l’expérience de Mme Wu en 1956 (voir dans le cours cité 51PH2QP4: dernier chapitre
‘Symétries : Invariances, Brisures de Symétries’) que la nature est asymétrique. Pasteur l’avait déjà
énoncé quand il découvrit que deux molécules miroir se différenciaient sous l’effet de la fermentation :
‘L’asymétrie c’est la vie’. Voir la molécule d’ADN qui a toujours la forme d’une hélice tournant à
gauche.
L’expérience de Mme Wu conduisit à une théorie dans laquelle le neutrino n’a qu’une seule
orientation de spin, toujours dans la direction opposée à son mouvement : il est gauche et donc la
conservation de cette hélicité se traduit par une violation maximale de la parité de l’interaction faible.
La largeur de désintégration du Z° a été mesurée avec une grande précision en considérant le
canal de désintégration de Breit et Wigner e+e-. Le Z° se désintègre de manière très dominante en
n’importe quel quark ou lepton, c'est-à-dire en des paires particule-antiparticule de masse inférieure à
MZ/2 incluant les paires neutrinos-antineutrinos dont seule la composante gauche apparaît. La
conclusion est qu’il n’y a pas plus de trois types de neutrinos légers.
Le modèle standard basique ne comprend pas de neutrino droit (νr) right-handed ni
d’antineutrino gauche (
l)
left-handed. L’hypothèse qui est faite pour retrouver la symétrie droite-
gauche consiste à considérer que le neutrino right-handed existe pour chacun de la famille mais qu’il
est indétectable aux niveaux d’énergie que nous pouvons atteindre actuellement. Lu, chez
Derendinger, p.312, « comme le neutrino de chiralité droite est lui-même invariant de jauge, il n’y a
pas d’interaction de jauge : il ne peut être directement détecté par un processus d’interaction faible,
forte ou électromagnétique. » Le modèle standard basique nous dit que si on introduit des neutrinos
droits cela conduit naturellement à des neutrinos gauches massifs ; par contre l’absence des neutrinos
droits implique l’absence de masse des neutrinos gauches2.
In Derendinger. ‘Théorie quantique des champs’, Presses polytechniques et universitaires romandes. P. 312, « le
mécanisme de Higgs qui produira la masse de W +- et Z° générera également la masse des fermions. » P. 315, « l’interaction
de Yukawa est à l’origine des masses des fermions lorsque le doublet H prend sa valeur moyenne dans le vide ‹H›. P. 319,
« Pour que les neutrinos deviennent massifs, il suffit, sic, d’ajouter les champs ψnNc des neutrinos droits et d’ajouter les
2
4
Avertissement I : A ce stade de la réflexion si on juxtapose les deux hypothèses retenues comme
dignes d’intérêt à savoir que l’interaction électromagnétique engendrerait ce que l’on évalue comme la
masse d’inertie (chapitre 9) et que dans le cadre de l’interaction faible la notion de masse est hors sujet
on est à la limite de s’engager dans un schisme. En effet sans se placer en dehors des raisonnements de
la mécanique quantique et de la TQC on accorde un rôle primordial et déterminant à l’interaction.
C’est la nature de l’interaction qui donne du sens ou non à une grandeur comme la masse qui donc
n’est plus strictement un attribut intrinsèque de la particule en question. Comme je viens de l’indiquer
on reste dans le cadre de la mécanique quantique (relire les déclarations de Bohr souvent réitérées, à
propos de la mesure quantique, qui édictent qu’on ne peut attribuer ni à l’objet quantique ni à
l’instrument de mesure qui provoque l’interaction, une « réalité physique autonome ».), mais on
gomme sérieusement l’idée qu’il y aurait des objets quantiques qui seraient les vecteurs de valeurs
permanentes. D’une certaine façon c’est le postulat 5 de la mécanique quantique (réduction de la
fonction d’onde : état propre reste immuable après la mesure si non perturbé) qui entretiendrait cette
pensée (croyance) de l’objet quantique dotée d’attributs qui lui seraient propres.
Avertissement II. Un certain nombre de difficultés irrésolues sont laissées provisoirement en
suspens et non des moindres. Par exemple comment traiter dans ce nouveau contexte la désintégration
n → p + e-
e
puisque dans celui-ci, E = mc2 n’est pas remis en cause pour le neutron, le proton,
l’électron. Comment assumer la non conservation de l’énergie sous sa forme E = mc2 dans cette
désintégration ?
D’un autre côté en persistant avec mes hypothèses il faut revisiter certaines théories et tenter
d’entrevoir les nouvelles perspectives qui seraient envisageables. Par exemple : la loi de la relativité
générale a été établie sur la base d’un principe d’invariance générale des lois de la physique et elle fait
intervenir dans le tenseur matière-énergie toute la matière – et il me semble exclusivement – qui obéit
au principe d’équivalence E = mc2. Si on fait l’hypothèse que l’on ne doit pas inclure les neutrinos
dans ce cadre, on est pour le moins obligé de considérer un sérieux réajustement de la R. G. et de
toutes ses implications cosmologiques avec entre autres les équations de Friedmann. Ce réajustement
prendrait encore plus d’ampleur en incluant, au même titre que les neutrinos, la matière noire. Nous
devons conserver Ω = 1 car évalué d’une façon indépendante de ces considérations. Quid de
l’interdépendance Matière- Espace-Energie lorsqu’il s’agit des neutrinos (et de la matière noire) ?
Quelles sont les propriétés qui s’opposent a priori à ce réajustement ?
termes… », « La matrice de masse des neutrinos implique ainsi à la fois les masses de Majorana des neutrinos droits.
Clairement cette modification du Modèle standard minimal permet l’introduction de masses des neutrinos, sans aucune
prédiction ou contrainte sur celles-ci. »
5
a – L’effet lentille gravitationnelle ?
b – Propriétés décelées d’interaction gravitationnelle de la matière noire ;
Quelles sont les apories qui pourraient être levées ?
a – Problématique de la matière noire (de l’ordre de 23%), (indécelable de façon directe par ses
‘composants élémentaires’) et de l’énergie sombre (de l’ordre de 73%).
Pistes nouvelles. Si on prend en compte les canaux de désintégration des leptons ci-dessous :
μ+ →
e+ + νe
μ- →
e-
τ- → eτ+
e
→ e+ + νe
μ
e
+ νμ
+ ντ mais aussi
τ-
→ μ- +
mais aussi
τ+
→ μ + + νμ
τ
μ
+ ντ
τ
on est encore confronté au problème de la conservation de l’énergie sous sa forme E = mc2 mais à
cause de l’introduction d’une loi de conservation de nombres leptoniques dans le deuxième membre
est associé à νx un
y.
En conséquence je propose d’attribuer (en creux) au couple (νx-
y)
cette
propriété d’exprimer le paquet d’énergie qu’ils constituent sous la forme E = mc2. Cette approche
permettrait peut-être de mieux comprendre le problème de ‘l’oscillation’ des neutrinos s’il s’avérait
que c’est sous la forme de couple que nous pouvons les appréhender. Cela supposerait aussi que le
neutrino ne se distinguerait pas de son antineutrino (hypothèse ouverte à l’heure actuelle au sein de la
communauté scientifique).
Dans le prolongement immédiat de ce raisonnement le fait de pointer que cela ne vaut pas pour
la désintégration β ni pour les désintégrations des mésons suivants :
Π+ - → μ+ - + νμ (
μ)
ou encore K+ - → Π0 + e+ - + νe (
e)
; K0 → Π+ - + e- + +
(νe) ; peut, a priori, conduire à abandonner le raisonnement de privilégier le couple (νx-
y)
e
mais
souvenez-vous qu’au début de ce chapitre j’avais indiqué d’emblée qu’en ce qui concerne la
désintégration des quarks (constituants élémentaires ?) nous aborderons ce sujet plus tard et que le
neutron, le proton, les mésons, sont des particules composites, cela permet de sauvegarder, en tous les
cas provisoirement, l’intérêt particulier que j’attache au couple neutrinos dans les désintégrations
leptoniques pures.
Je rappelle n → u + 2 d ; p → 2u + d ; Π+ - → ud*, du* ; K+ - → us*, su* ; K0 → ds* ;
Perspectives :
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En prolongeant l’idée que ce serait le couple de neutrinos qui satisferait la propriété de E = mc2,
en tant que valeur résultante, il s’ensuivrait alors l’idée que les composants de ce couple échapperaient
aux lois habituelles que nous avons exploitées jusqu’à présent. D’où le caractère inapproprié de
vouloir évoquer et cerner chacun des neutrinos répertoriés comme des entités ayant des
caractéristiques propres et indépendantes.
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