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Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève Du soleil à la terre… oscillations de neutrinos 1. Que sont les neutrinos? 2. Les questions quils posent.

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1 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève Du soleil à la terre… oscillations de neutrinos 1. Que sont les neutrinos? 2. Les questions quils posent 3. La masse des neutrinos et leurs oscillations 4. Le futur

2 Alain Blondel Lettre de Wolfgang Pauli 4 Décembre 1930 Dear Radioactive Ladies and Gentlemen, As the bearer of these lines, to whom I graciously ask you to listen, will explain to you in more detail, how because of the "wrong" statistics of the N and Li6 nuclei and the continuous beta spectrum, I have hit upon a desperate remedy to save the "exchange theorem" of statistics and the law of conservation of energy. Namely, the possibility that there could exist in the nuclei electrically neutral particles, that I wish to call neutrons, which have spin 1/2 and obey the exclusion principle and which further differ from light quanta in that they do not travel with the velocity of light. The mass of the neutrons should be of the same order of magnitude as the electron mass and in any event not larger than 0.01 proton masses. The continuous beta spectrum would then become understandable by the assumption that in beta decay a neutron is emitted in addition to the electron such that the sum of the energies of the neutron and the electron is constant... I agree that my remedy could seem incredible because one should have seen those neutrons very earlier if they really exist. But only the one who dare can win and the difficult situation, due to the continuous structure of the beta spectrum, is lighted by a remark of my honoured predecessor, Mr Debye, who told me recently in Bruxelles: "Oh, It's well better not to think to this at all, like new taxes". From now on, every solution to the issue must be discussed. Thus, dear radioactive people, look and judge. Unfortunately, I cannot appear in Tubingen personally since I am indispensable here in Zurich because of a ball on the night of 6/7 December. With my best regards to you, and also to Mr Back. Your humble servant. W. Pauli Wolfgang Pauli Neutrinos: la naissance dune idée 1930 dN dE E few MeV Le spectre des e - dans la Désintégration : e

3 Alain Blondel Reines et Cowan (Nobel 1995) Expérience au voisinage dun réacteur nucléaire. La cible de détection est constituée de 400 litres dune solution de fluorure de Cadmium dans leau. Les (anti)neutrinos du réacteur interagissent avec les protons de leau en donnant un positon (anti-electron) et un neutrino. On détecte en même temps les produits de lannihilation du positon (e+ + e- ) et (deux ) de capture du neutron par le cadmium. 4 photons sont détectés dans un intervalle de 15 microseconds. Cette réaction est très rare ce qui indique que le parcours moyen de ces neutrinos dans la matière est extrêmement long (~une année lumière dans leau!) Neutrinos detection difficile 1953

4 Alain Blondel

5 1957: L hélicité des neutrinos est mesurée (M. Goldhaber et al): Les neutrinos sont gauchers Les anti- neutrinos sont droitiers violation de la symétrie par renversement du systeme daxes!!!! (parité) Une propriété étonnante: e e e Ceci nest jamais observé! les photons sont polarisés (ils tournent plus dans une direction que dans lautre)

6 Alain Blondel Symétries de la physique une parenthèse: la physique ne doit pas dépendre de la façon dont nous (les hommes) la regardons: par exemple, la loi de Newon ne dépend pas du choix de lorigine des temps (seules les différences de temps interviennent) ne dépend que des vitesses relatives (invariance par cht de repère Galiléen) ne dépend pas du choix des axes de lespace (invariance par rotation) et bien sur il ne dépend pas de lorientation des axes x y z ou x y z

7 Alain Blondel Symétrie de parité: la physique sexprime aussi bien dans des axes droits que gauche ou encore si on change x -x y -y z -z donc mais le moment cinétique lui, ne change pas de signe. Donc change de signe. De la même façon si on change x x y -y z z (symétrie miroir) change de signe.

8 Alain Blondel B B on étudie les désintégrations béta du 60 Cobalt dans un champ magnétique émet un electron (et un neutrino) Le cobalt a une charge et un moment cinétique qui saligne sur le champ magbétique Observation: (Wu 1956) les éléctrons sont émis de préférence à lopposé du champ magnetique! dans la réaction beta, le moment cinétique de lélectron est anti-aligné sur sa quantité de mouvement, et cette préférence sexplique par la conservation du moment cinétique. S lelectron est « GAUCHER » mais ceci viole evidemment le principe dinvariance par parité!

9 Alain Blondel B S B symétrie favorisée = situation la plus fréquente défavorisée! = situation la moins fréquente La désintégration beta fait une différence entre la gauche et la droite! Prix Nobel: Mme Wu ; Lee and Yang Ceci nous permet de communiquer à un extra terrestre ce que sont la gauche et la droite.

10 Alain Blondel B S B antimatière favorisée = situation la plus fréquente défavorisée! = situation la moins fréquente La désintégration beta fait une différence entre la matière et lantimatière (on observe ceci par ex. dans les désintégrations des muons) supposons maintenant que nous changions à un monde danti-matière = seules les charges changent matière lelectron est gaucher, et le positon est droitier ! en fait NON

11 Alain Blondel B S B antimatière favorisée = situation la plus fréquente défavorisée! = situation la moins fréquente La désintégration beta ne fait pas la différence entre matière et antimatière si on change la droite et la gauche en meme temps. symétrie C.P (on observe ceci par ex. dans les désintégrations des muons) quand on fait tourner le courant dans le sens trigonométrique la situation la plus probable est lémission de lelectron vers le bas. et on ne peut communiquer la gauche de la droite que si on suppose que lextraterrestre est fait de matière comme nous! supposons maintenant que nous faisions à nouveau une symétrie anti-matière symétrie

12 Alain Blondel Il existe cependant un effet (assez petit) qui distingue matière et antimatière la particule K 0 L (neutre et invariante par symétrie CP!) se désintègre plus souvent en e+ que e- ce qui représente une très faible violation de la symétrie entre matière et anti-matière! « mon cher ami… vous faites un faisceau de K 0 L. la particule légère chargée produite le plus souvent est de lantimatière… »

13 Alain Blondel 1959 Ray Davis montrait expérimentalement que les (anti) neutrinos issus de réacteurs nucléaires nintéragissent pas avec le chlore pour produire de largon. reacteur : n p e - e ces e ne font pas ceci: e + 37 Cl 37 Ar + e - ce sont des anti-neutrinos dans les réactions nucléairesest conservé. il avaient été découverts ainsi:

14 Alain Blondel Lee and Yang Propriétés des Neutrinos 1960 En 1960, Lee et Yang realisent que la raison pour laquelle la réaction - e - nest jamais observée (limite actuelle ) cest quil y a deux types de neutrinos différents: et e

15 Alain Blondel Deux Neutrinos 1962 Schwartz Lederman Steinberger Ces neutrinos ne produisent que des muons, pas délectrons quand ils intéragissent avec la matière Premier faisceau de neutrinos artificiels W-W- hadrons N

16 Alain Blondel Neutrinos au CERN Le courant neutre La chambre à bulles Gargamelle CERN Découverte dune nouvelle intéraction: + e + e + N + X (pas de muon, pas délectron) Jusque là les neutrinos napparaissaient quen compagnie dun électron ou dun muon!

17 Alain Blondel e-e- Z e-e Gargamelle Choc élastique dun neutrino sur un électron dans le liquide. Première apparition du boson Z La naissance expérimentale du Modèle Standard

18 Alain Blondel e e d u Famille 1 mc 2 = GeV mc 2 <3 eV mc 2 =0.005 GeV mc 2 =0.003 GeV <3 eV étrange charmé Famille GeV GeV 1.5 GeV beau top Famille 3 1,77 GeV <3 eV 5 GeV mc 2 =175 GeV Le Modèle Standard: 3 familles de quarks Et leptons de spin ½ qui interagissent avec des bosons de spin 1 ( W&Z, gluons) leptons chargés leptons neutres = neutrinos quarks

19 Alain Blondel 3 Quarks up charge 2/3 3 Quarks down charge -1/3 Electron charge -1 Neutrino charge 0 Symétrie remarquable: Chaque quark apparaît avec 3 couleurs ce qui fait que la somme des charges de chaque famille est: x ( 2/3 - 1/3) = 0 Ceci est une condition nécessaire pour la stabilité de lunivers

20 Alain Blondel 1989 Le nombre de Neutrinos collider experiments: LEP: e+ e- Z Bien que la théorie demande des familles avec Q=0, elle ne demande rien sur le nombre de familles.. Il pourrait en avoir des milliers. N est déterminé pas la fréquence de production des Z à LEP. Les désintégrations en neutrinos sont invisibles. Plus de désintégrations sont invisibles et moins sont visibles. La production de Z visibles décroit de 13% par famille de neutrinos supplémentaire. in 2001(fin du LEP): N =

21 Alain Blondel Mais quelle est la masse des neutrinos? Rappels: la masse dun electron est mc 2 = 0,5 MeV La masse dun proton est 2000 fois plus grande La masse de electrons ou protons est un gramme Combien faut il de neutrinos pour faire un gramme de neutrinos? Cette question a un certain intérêt pour comprendre si les neutrinos peuvent être à lorigine de la masse manquante ou cachée de lunivers!

22 Alain Blondel Prenons la désintégration beta ou lélectron a lenergie la plus basse possible: Tritium (un proton et deux neutrons) 3 H 3 H 3 He e - e E max = 18 KeV E max dépend de la masse du neutrino

23 Alain Blondel

24 Histoire des étoiles -- phase I Une étoile de masse moyenne comme le soleil *brule* son hydrogène par le cycle suivant p p p n p p e+e+ e Ce cycle produit de lénergie: 2.m(p) > m(D) + m(e+) les positons sannihilent et les diverses particules ont de lénergie cinétique qui finit par sortir du soleil sous forme de lumière au bout de plusieus milliers dannées Ce cycle produit aussi beaucoup de neutrinos. Deuterium

25 Alain Blondel Neutrinos venus du ciel Ray Davis depuis ~1968 Nobel 2002! La détection des neutrinos du soleil avec 600 tonnes deau de Javel le soleil est un réacteur nucléaire par fusion Détecteur de la mine de Homestake dans le Dakota une des réactions : pp pn e + e Détection: e + 37 Cl 37 Ar + e - quelques atomes dargon par jour! Les neutrinos ont bien été observés ainsi ce qui démontre que le soleil fonctionne par réactions nucléaires!

26 Alain Blondel Mais on en observe trois fois moins quattendu! Le puzzle des neutrinos solaires depuis 1968! solutions: 1) le soleil nest pas ce quon croit. Ou 2) les neutrinos oscillent

27 Alain Blondel Définitions de neutrinos Le neutrino electron est présent en association avec un electron (ex: des. beta) Le neutrino muon est présent en association avec un muon (des. de pion) Le neutrino tau est présent en association avec un tau (W ) Ces neutrinos de saveur ne sont pas des états quantiques de masse bien définie (mélange des neutrinos) (ceci veut dire que lopérateur de génération des masses de particules – qui nous est dailleurs complètement inconnu – nest pas diagonal dans la base des interactions faibles. Ses états propres sont des mass-neutrinos ) Le mass-neutrino qui est le plus semblable à un neutrino electron est Le mass-neutrino qui est entre les deux est Le mass-neutrino qui est le plus dissemblable à un neutrino electron est

28 Alain Blondel Mélange de neutrinos Bruno Pontecorvo 1957

29 Alain Blondel Oscillations de neutrinos (Mécanique Quantique leçon 5) source propagation detection L interaction faible Produit des neutrinos de saveur Par ex. pion ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ (t) ¦ exp( i E 1 t) ¦ exp( i E 2 t) ¦ exp( i E 3 t) La détection se fait à nouveau par interaction faible ou e e ou P ( e ) = ¦ < e ¦ (t) ¦ 2 Les états propres de masse (mass-neutrinos) se propagent L t = proper time L/E Hamiltonien= E = sqrt( p 2 + m 2 ) = p + m 2 / 2p Pour une quantité de mvt donnée les états propres de la propagation dans le vide sont les États propres de masse!

30 Alain Blondel Oscillation Probability Hamiltonien= E = sqrt( p 2 + m 2 ) = p + m 2 / 2p Pour une quantité de mvt donnée les états propres de la propagation dans le vide sont les États propres de masse!

31 Alain Blondel Oscillations de neutrinos Après de longues années de recherche (depuis 1968! il est établi depuis 1998 que les neutrinos changent de caractère en voyageant dans l'espace. première observation: neutrinos produits dans le soleil! ( km) seconde observation: neutrinos produits dans l'atmosphère et traversant toute la terre (13000 km) observation récente 2003 (exp. K2K) avec des neutrinos d'un faisceau fait par l'homme. Observation d'un phénomène quantique sur des distances de centaines à millions de kilomètres!

32 Alain Blondel Oscillations: 1. Disparition du neutrino dorigine A faible distance P=1 Ex. P ( ) = ¦ < ¦ (t) ¦ 2 Premier minimum: 1.27 m 2 L/E = Pour E = 1 GeV et m 2 = eV 2 L= 500 km. Pour deux neutrinos et sin 2 2 =1

33 Alain Blondel neutrinos solaires e Soleil = réacteur à fusion nucléaire seuls e produits Differents preocessus - > Spectre en energie De nombreuses expériences on répété les mesures de Mr Davis....

34 Alain Blondel Missing Solar Neutrinos Donc: Le modèle du soleil est faux NON car certaines expérience sont sensibles à tout le flux qui est proportionnel à la luminosité du soleil – bien connue! Les expériences sont toutes fausses NON Ou: Les e se transforment OUI, seule explication possible Toutes les expériences voient un déficit de neutrinos solaires.

35 Alain Blondel SNO detector z1000 ton of D 2 0 z12 m diam. z9456 PMTs Aim: measuring non e neutrinos in a pure solar e beam zHow? Three possible neutrino reaction in heavy water: only e equally e + in-equally e (

36 Alain Blondel Charged current events are depleted (reaction involving electron neutrinos) Neutral current reaction agrees with Solar Model (flavour blind) SSM is right, neutrinos oscillate!

37 Alain Blondel Kamland 2002

38 Alain Blondel KamLAND: disappearance of antineutrinos from reactor (few MeV at ~100 km)

39 Alain Blondel Kamland 2004

40 Alain Blondel Kamland 2004

41 Alain Blondel Solar oscillation parameters now at 10-20% precision.

42 Alain Blondel Atmospheric Neutrinos Path length from ~20km to km

43 Alain Blondel e disappearance experiment P th = 8.5 GW th, L = 1,1 km, M = 5t (300 mwe) 13 : Best current constraint: CHOOZ World best constraint m 2 atm = eV 2 sin 2 (2θ 13 )<0.2 (90% C.L) e x R = %(stat) 2.7%(syst) M. ApollonioM. Apollonio et. al., Eur.Phys.J. C27 (2003)

44 Alain Blondel CONFIRMATION: les neutrinos atmosphériques.

45 Alain Blondel Neutrinos Atmosphériques Distance entre production et détection de ~20km à km

46 Alain Blondel Super-K detector 39.3 m 41.3 m C Scientific American zCerenkov à Eau z50000 tonnes deau ultra- pure z Photo Multiplicateurs de 80 cm de diamètre à 10k$ pièce) Koshiba (Nobel 2002)

47 Alain Blondel Effet Cerenkov particule La vitesse de la lumière dans leau est c/n ou n est lindice de réfraction =1,4 pour leau. Les particules de haute énergie E>>m vont à une vitesse quasiment egale à celle de la lumière Et donc supérieure à celle des photons visibles dans leau. Il sen suit un effet semblable au Bang dun avion supersonique: des photons sont émis dans un cone dangle cos n Qui se projette en couronne sur les parois du détecteur. Muons: peu de diffusion -> couronne nette Electrons: beaucoup de diffusion -> couronne diffuse

48 Alain Blondel Séparer et e e e

49 Alain Blondel Atmospheric : up-down asymmetry e Super-K results updown

50 Alain Blondel Atmospheric Neutrinos SuperKamiokande Atmospheric Result

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53 ch/~bdl/lepc/lepc.ppt 53 Les neutrinos ont donc une masse (il faut une masse pour pouvoir se transformer en vol) C est sans doute la d é couverte la plus fscinante des dix derni è res ann é es. Ces masses sont TRES differentes de celles des autres particules! Les masses des neutrinos semblent avoir leur origine Dans des processus de trés haute énergies trés proches du Big Bang mc 2

54 Alain Blondel La vie dune étoile II vers la fin de sa vie, létoile a brulé tout son hydrogéne et devient une géante rouge.. Un effondrement gravitationel peut se produire après lequel progressivement les noyaux de plus en plus lourds He, C,N,O, … jusquau fer sont produits par réactions de fusion nucléaire. si ce noyau de fer résiduel est assez massif il va séffondrer par capture des électrons p+e- n + e tous les electrons et tous les protons disparaissent, il ne reste plus que des neutrons… un état de la matière dune densité égale à la densité nucléaire ou même un trou noir! ce processus violent et pratiquement instantané SUPERNOVA émet un très grand nombre de neutrinos!

55 Alain Blondel En mars 1987, une étoile du nuage de Magellan donne lieu à une supernova. (SN1987A) ce phénomène est observé dans un observatoire du Chili, mais 10 heurs avant que les téléscopes ne puissent observer le phénomène lumineux, les neutrinos avaient été détectés! (Kamiokande et IMB, Cherenkovs à eau)

56 Alain Blondel tous les neutrinos (11 + 8) ont été émis en quelques secondes!

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59 Les neutrinos du Big-bang… Il est maintenant accepté que lUnivers a commencé par un Big Bang. Comme pour une supernova, le Big Bang a produit énormément de neutrinos. Les neutrinos permettent à un système de se refroidir plus ou moins rapidement (lénergie séchappe). La topologie de lunivers et ses irrégularités dpendent de la masse des neutrinos.

60 Alain Blondel Formation of Structure SmoothStructured Structure forms by Structure forms by gravitational instability gravitational instability of primordial of primordial density fluctuations density fluctuations A fraction of hot dark matter A fraction of hot dark matter suppresses small-scale structure suppresses small-scale structure

61 Alain Blondel

62 m eV adding hot neutrino dark matter erases small structure Halzen

63 Alain Blondel Recent Cosmological Limits on Neutrino Masses Authors m /eV m /eV (limit 95%CL) Data / Priors Spergel et al. (WMAP) 2003 [astro-ph/ ]0.69 WMAP, CMB, 2dF, 8, HST Hannestad 2003 [astro-ph/ ]1.01 WMAP, CMB, 2dF, HST Tegmark et al [astro-ph/ ]1.8 WMAP, SDSS Barger et al [hep-ph/ ]0.75 WMAP, CMB, 2dF, SDSS, HST Crotty et al [hep-ph/ ] WMAP, CMB, 2dF, SDSS & HST, SN Hannestad 2004 [hep-ph/ ]0.65 WMAP, SDSS, SN Ia gold sample, Ly- data from Keck sample Seljak et al [astro-ph/ ] 0.42 WMAP, SDSS, Bias, Ly- data from SDSS sample NB Since this is a large mass this implies that the largest neutrino mass is limit/3 Halzen

64 Alain Blondel e e d u Famille 1 mc 2 = GeV mc 2 ?=? <1 eV mc 2 =0.005 GeV mc 2 =0.003 GeV <1 eV s étrange c charmé Famille GeV GeV 1.5 GeV b =beau t top Famille 3 1,77 GeV <1 eV 5 GeV mc 2 =175 GeV Le Modèle Standard: 3 familles de quarks et leptons de spin ½ qui interagissent avec des bosons de spin 1 ( W&Z, gluons) leptons chargés leptons neutres = neutrinos quarks

65 Alain Blondel Vous et moi sommes faits d électrons et quarks Les électrons et les quarks sont élémentaires pour autant que nous sachions, ils nont pas de structure. Les électrons et quarks se conservent dans les réactions chimiques et physiques. Leur nombre na pas varié depuis secondes après le commencement de lunivers, et ils nous survivront longtemps après notre mort…. Rien ne se perd, rien ne se crée… ? Conservation des nombres leptonique et baryonique

66 Alain Blondel ENERGIE Particule + anti-particule Big Bang UN MYSTERE….. Il devrait y avoir autant de matière que danti-matière dans lunivers… où est passée lanti-matière? Pour résoudre ce problème évident il faut (Sakharov) 1. Des conditions hors équilibre 2. Violation du nombre letponique ou baryonique (B-L est conservé) 3. Violation de la symétrie CP Le Big Bang nous fournit (1) Il est possible que les neutrinos nous procurent (2) ET (3) Leffet est faible (baryons / photons ~ )

67 Alain Blondel 3 Quarks up charge 2/3 3 Quarks down charge -1/3 Electron charge -1 Neutrino charge 0 Pour briser la symétrie matière-antimatière il faut par exemple pouvoir transformer de la matière en antimatière. Pour les eletrons et les quarks cest impossible a cause de la conservation de la charge electrique! e- e+ Pour les neutrinos cest impossible si ils sont de masse nulle (des particules de masse nulle ne se transforment pas) De plus il est fort bien vérifié que linteraction faible ne produit que des neutrinos droits et des antineutrinos gauches. La conservation de la matière résulte ici de la conservation du moment angulaire. Si les neutrinos ont une masse ce nest plus le cas Des transitions neutrino-> antineutrino deviennent possibles … bien quextrêmement rares

68 Alain Blondel VIOLATION des symétries T, CP pour les LEPTONS Lasymétrie matière antimatière de lUnivers requiert violation de CP ou T Celle des quarks (bien connue depuis 1964) ne suffit pas Boris Kayser e-Re-Le+Re+Le-Re-Le+Re+L L R NLNL R mécanisme de balançoire

69 Alain Blondel Pourrons nous observer la violation de C.P ou T par les neutrinos?

70 Alain Blondel Consequences des oscillations à trois familles I Quand les deux oscillations (longue et courte) ont la même intensité elles interfèrent. Le signe est différent pour Ceci entraine violaation de linvariance CP ou T. CP: P ( e ) P ( e T : P ( e ) P ( e Oscillation maximum 1.27 m 2 L / E = /2 Atmospheriqu m 2 = eV 2 L = GeV Solaire m 2 = eV 2 L = 1 GeV Oscillations de neutrinos de 250 MeV P ( e )

71 Alain Blondel SPL Frejus Geneve Italy 130km 40kt 400kt CERN CERN 2.2GeV, 50Hz, 2.3x10 14 p /pulse 4MW Now under R&D phase

72 Alain Blondel BETA Beam Une idée nouvelle de P. Zucchelli produit 6 He++, accelère et stocke (100 GeV/u) Q= MeV T/2 = s anti- e pur à 600 MeV ou: e pur à 600 MeV 6 He ++ Li +++ e e

73 Alain Blondel Beta Beam (P. Zucchelli) M. Lindroos et al.

74 Alain Blondel Combination of beta beam with low energy super beam Unique to CERN: need few 100 GeV accelerator (PS + SPS will do!) experience in radioactive beams at ISOLDE many unknowns: what is the duty factor that can be achieved? (needs < ) combines CP and T violation tests e ( +) (T) e ( + ) (CP) e ( -) (T) e ( - )

75 Alain Blondel -- Neutrino Factory (Geer, Palmer) CERN layout e + e _ interacts giving oscillates e interacts giving WRONG SIGN MUON p/ s s = yr e yr yr yr Nouvelle technique daccélerateur

76 Alain Blondel LEP a vérifié le Modèle Standard des particules et mis en oeuvre un fantastique pouvoir prédictif.( !) Entretemps….les neutrinos, après avoir fourni au MS sa première pierre expérimentals (Courants Neutres, 1973) étaient en train douvrir la porte sur le monde au delà (masses et oscillations de neutrinos) Ceci pourrait donner deux ingrédients essentiels pour comprendre comment, du Big Bang, lunivers a évolué vers notre monde fait de matière. -- la non-conservation du nombre de leptons (et baryons) -- la violation de linvariance par renversement du temps pour les leptons Obtenir une vérification expérimentale de ces idées théoriques va necessiter de nombreuses années dexpérimentation délicate et précise! LE CERN commence à considérer serieusement un important programme neutrino après le LHC Les 30 années passées…. et les 30 années futures


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