III – Les neutrinos oscillent

1
III – Les neutrinos oscillent !!
Dans le monde bizarre de la mécanique quantique le neutrino n’existe pas en tant
que simple particule. Au contraire, il semble se présenter sous des états différents
entretenant ainsi une existence schizophrénique. La preuve a été apportée que les
neutrinos se transforment spontanément lorsqu’ils se propagent, c'est-à-dire qu’ils
changent de saveur au cours de leur trajet. Ces « oscillations » impliquent que les
neutrinos aient une masse. Celle-ci est infime, mais suffisante pour qu’ils se
transforment d’une saveur à une autre au cours du temps. Les masses respectives
qui sont obligatoirement différentes ne sont pas encore connues précisément mais
on suppose que la masse du plus lourd des neutrinos doit être 1 million de fois
inférieur (10-6) à celle de l’électron. Pour rappel me = 9,1*10-28 g soit mec2 = 0,5 Mev.
Rappelons-nous qu’il existe trois types de neutrino. Le ν dont son état
de saveur est électronique : νe.
Le ν dont son état de saveur est muonique : νμ. Qui interagit comme
suit : νμ + n → μ- + p
Le ν dont son état de saveur est tauique : ντ.
Les neutrinos sont, après les photons, les particules élémentaires les plus
nombreuses de l’Univers. Leurs sources sont multiples (voir figure ci-dessous). Les
neutrinos font partie de la famille des leptons, ils sont électriquement neutres et
interagissent très peu avec la matière. Plus de mille milliards (1012) de neutrinos
traversent ainsi notre corps à chaque seconde.

2
De toutes les explications possibles pour rendre compte des mesures des déficits des
neutrinos solaires à Homestake, Kamiokande, Gran Sasso, et pour tenir compte des
mesures non déficitaires de Sudbury on a conçu que le flux des νe oscillait d’un état
de saveur à un autre. La figure ci-dessous illustre ce processus dès la production du
νe au coeur du soleil jusqu’à ce qu’il parvienne sur la terre avant de la traverser
comme si, il ne la voyait (ressentait) pas.
C’est dans l’arsenal de la mécanique quantique et seulement dans celui-ci que l’on
trouve les concepts et le formalisme qui permettent de rendre compte de
l’observation du phénomène de l’oscillation des neutrinos. (le corpus de la

3
mécanique quantique est riche de concepts et d’un formalisme qui sont validés par
leur capacité à « couvrir les situations expérimentales »).
Pour simplifier on considère uniquement l’exemple d’un système de représentation
avec deux états de saveurs : l’électronique et la muonique. Les états de saveurs ne
coïncidant pas avec les états de masse on considère ν1 et ν2 correspondant à deux
états de masse distincts m1 et m2. νe et νμ résultent d’un mélange différent de ces
deux états de masse. Les proportions de ν1 et ν2 dans les mélanges respectifs qui
décrivent νe et νμ évoluent dans le temps tout au long de la trajectoire de vol des
neutrinos. (fig. ci-dessous, in ‘Pour la science’,octobre 2003).
…il y a donc oscillation de la probabilité de détecter l’une ou l’autre des deux
saveurs selon la distance à la source.
e
e
1
1
0
Oscillation de la probabilité de détection de e → νμ

4
Distance
La longueur d’oscillation Lν = f(Eν/∆m2) avec Eν l’énergie des neutrinos du faisceau
et ∆m2 = ׀m12-m22׀. Plus la différence des masses est faible, plus Lν est longue.
L’amplitude de l’oscillation A = f (θ), θ étant l’‘angle de mélange’ de ν1 et ν2. Ce qui
est effectivement observable et mesurable c’est Lν et A. C’est grâce aux mesures de
ces grandeurs qu’il sera possible d’accéder à une connaissance plus complète des
neutrinos. Toutefois nous n’accédons qu’aux différences du carré des masses et il
faut concevoir un autre type d’expérience qui nous permettra d’accéder à la valeur
absolue d’une des masses mi. Il est aussi essentiel que Eν soit connu, mieux encore
donné. Les accélérateurs de particules sont donc des sources mieux contrôlables. De
là on fabrique des faisceaux de neutrinos en direction des détecteurs dont le lieu est
choisi selon les longueurs d’oscillation.
IV – Les trois grands centres de recherche sur les neutrinos – production et
détection – sont actuellement répartis entre le Japon, les Etats-Unis et l’Europe.
La mission première de ces centres est évidemment de déterminer les
paramètres qui caractérisent le comportement des neutrinos.
e
e
L e
A
1
1
0
e
e
Probabilité de détection

5
Production → Détection
Fermilab (Chicago) : νμ, 3Gev. 735 kms Soudan (Minnesota) : νμ
Depuis 2005 : (92 νμ détectés, détecteur : Minos
au lieu des 177 attendus sans oscillation) 150 scientifiques
Kamioka : νμ 250kms Tsukuba : νμ
2003-2004
Cern (Genève) : νμ, 17Gev. 732 kms Gran Sasso (Italie) :νe, ντ
Depuis 2006 détecteur : Opera
170 scientifiques
Un exemple de relation entre le centre de production et le centre de détection.