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Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève Les neutrinos à la rescousse 1. Qui sont les neutrinos? 2. Les questions quils posent 3. La masse des.

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1 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève Les neutrinos à la rescousse 1. Qui sont les neutrinos? 2. Les questions quils posent 3. La masse des neutrinos et leurs oscillations 4. Les questions auxquelles ils peuvent répondre 5. Le futur

2 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève 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 Groupe Neutrino Université de Genève 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 Groupe Neutrino Université de Genève 1957: L hélicité des neutrinos est mesurée (M. Goldhaber et al): Les neutrinos sont gauchers (tournent dans le sens des aiguilles dune montre) Les anti- neutrinos sont droitiers (tournent dans le sens de la rotation de la terre) violation de la symétrie par renversement du systeme daxes!!!! (parité) Une propriété étonnante: e e e Ceci nest jamais observé!

5 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève Symétries de la physique une parenthèse: la physique ne doit pas dépendre de la façon dont nous (les humains) la regardons: par exemple, la loi de Newton 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 translation et rotation) et bien sur elle ne dépend pas de la chiralité des axes x y z ou x y z

6 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève 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 uniquement un axe x x y -y z z (symétrie miroir) change de signe. miroir Limage dun gaucher dans un miroir est un droitier!

7 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève B B on étudie les désintégrations béta du 60 Cobalt dans un champ magnétique 60 Co émet un electron (et un neutrino) Le noyau de 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, La préférence observée sexplique par la conservation du moment cinétique. S lélectron émis dans la désintégration beta est « GAUCHER » mais ceci viole évidemment le principe dinvariance par parité! I

8 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève B S B symétrie Situation permise = situation la plus fréquente Situation interdite = situation la moins fréquente La désintégration beta fait une différence entre la gauche et la droite! Prix Nobel: Mme Wu ; Lee and Yang Ceci devrait nous permettre, par exemple, de communiquer à un extra terrestre ce que sont la gauche et la droite. La situation favorisée est en pointillés

9 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève B S B antimatière favorisée = situation la plus fréquente Interdit = situation la moins fréquente le positron ne peut pas être gaucher…. 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: Le courant créé par des positrons est en sens inverse La situation favorisée est en pointillés I Mais si on fait une symétrie mirroir ET un changement matière-anti-matière RIEN NE CHANGE

10 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève 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 même temps. symétrie C.P qui est équivalente à la symétrie par renversement du sens du temps T (on observe ceci par ex. dans les désintégrations des muons) 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 + miroir miroir

11 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève 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… » 1964

12 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève 1959 Ray Davis montrait expérimentalement que les (anti) neutrinos issus de réacteurs nucléaires ninteragissent 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:

13 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève 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

14 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève 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

15 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève 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!

16 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève 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

17 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève 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

18 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève 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

19 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève 1989 Le nombre de Neutrinos LEP: 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 =

20 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève 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!

21 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève La masse !?! Pour un object habituel, la masse est simplement approx. la somme des masses des nucléons qui le composent (nombre de protons et neutrons) – on lappelle aussi quantité de matière La masse intervient à la fois pour décrire linertie (Force = m x Acceleration ) et lattraction de gravitation Poids = m x g (ce qui est en soi un mystère…) de façon relativiste la masse est la quantité qui différentie lénergie de la quantité de mouvement E 2 = (mc 2 ) 2 + (pc) 2 (à larrêt cela devient E=mc 2 ) ou la différence entre la vitesse de la particule et la vitesse de la lumière v=c si m=o le temps pour une particule est (particule) = t(humain).E/m (infini si m=0) Pour un physicien des particules la masse est la force de linteraction avec le boson de Higgs, ET la quantité qui décrit la possibilité dune particule Gauche de se transformer en particule Droite

22 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève e-+e-+ impulsion spin particule (type charge helicité ) e--e-- miroir = Parité, P e+-e+- Parité et charge = CP e-+e-+ Parité x charge x renversement du temps = CPT un électron qui change de direction (renversement du temps) produit le même courant quun positon qui va dans le sens dorigine

23 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève e-+e-+ impulsion spin particule (type charge helicité ) e--e-- miroir = Parité, P si je me mets à la place don observateur situé dans un vaisseau spatial qui va à une vitesse supérieure à celle de lélectron, la vitesse de lélectron est renversée (il recule par rapport à moi) et je vois ceci: e-+e-+ à larrêt e--e-- si je vais à une vitesse V >>

24 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève Dans le modèle Standard, les neutrinos nont pas de masse, seuls les neutrinos gauches interagissent seuls les antineutrino droits interagissent on ne peut pas transformer un neutrino gauche en neutrino droit les neutrinos droits nexistent pas. Il ny a pas de problème. Pas de masse = pas de problème

25 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève 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

26 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève Neutrinos venus du ciel Ray Davis depuis ~1968 Nobel 2002! La détection des neutrinos du soleil avec 600 tonnes de CCl 4 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 ~1970: 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!

27 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève Mais… on en observe trois fois moins quattendu! Le puzzle des neutrinos solaires depuis 1968! solutions: 1) le soleil nest pas ce quon croit … mais de nombreuses mesures sur le soleil sont venues depuis confirmer le modèle du soleil… Ou 2) les neutrinos oscillent ce qui veut dire quils ont une masse

28 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève 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

29 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève Mélange de neutrinos Bruno Pontecorvo 1957

30 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève Oscillations de neutrinos (Mécanique Quantique I 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!

31 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève 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 100km à millions de km!

32 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève Super-K detector 39.3 m 41.3 m C Scientific American Cerenkov à Eau tonnes deau ultra- pure Photo Multiplicateurs de 80 cm de diamètre à 10k$ pièce) Koshiba (Nobel 2002)

33 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

34 SNO detector 1000 ton of D m diam PMTs Aim: measuring non e neutrinos in a pure solar e beam How? Three possible neutrino reaction in heavy water: only e equally e + in-equally e (

35 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève Kamland

36 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève Kamland 2008

37 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève CONFIRMATION: les neutrinos atmosphériques.

38 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève Neutrinos Atmosphériques Distance entre production et détection de ~20km à km

39 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève Super-K detector 39.3 m 41.3 m C Scientific American Water Cerenkov detector tons of pure light water PMTs

40 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève Séparer et e e e

41 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève Atmospheric : up-down asymmetry e Super-K results updown

42 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève Atmospheric Neutrinos SuperKamiokande Atmospheric Result

43 ch/~bdl/lepc/lepc.ppt 43 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 fascinante 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

44 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève Les neutrinos ont une masse donc un neutrino gauche peut se transformer en neutrino droit! donc les neutrinos droits existent! mais…. ils ninteragissent pas (seulement par la gravitation) « stériles » et on ne peut pas les détecter… hmmm… hypothèses…. hypothèses… 1. les neutrinos droits existent et ils ont la même masse que les gauches Dirac (couplage au boson de Higgs comme tout le monde – mais pourquoi si petit?) 2. en fait un neutrino gauche se transforme en antineutrino droit Majorana (cest possible car la charge est nulle) pas de nouvelle particule… mais une transition visible dans des réactions nucléaires très faibles 3. les deux. il existe des neutrinos droits mais ils ont des masses élevées et ils sont « stériles » cest lhypothèse la plus probable.

45 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève La matière noire courbe A = loi de Kepler la Galaxie dAndromède M=masse contenue à lintérieur de lorbite On observe B ce qui indique que la masse augmente linéairement avec la distance Lunivers contient un continuum de matière noire

46 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève MATIERE NOIRE -- des trous noirs? -- des Jupiters? -- des particules neutres supersymmétriques -- des neutrinos actifs? -- des neutrinos stériles? pas assez pas vues pas assez peut-être!

47 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève 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

48 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève 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

49 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève 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. Une transition matière-antimatière 3. Violation de la symétrie entre matière et antimatière Le Big Bang nous fournit (1) Il est possible que les neutrinos nous procurent (2) ET (3) Leffet est faible (baryons / photons ~ )

50 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève 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 électrique! e- e+ si 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 des transitions neutrino-> antineutrino deviennent possibles … bien quextrêmement rares

51 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève 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

52 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève Pourrons nous observer la violation de C.P ou T par les neutrinos?

53 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève 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 )

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58 Indication of ν μ ν e appearance in the T2K EXPERIMENT Alain Blondel – University of Geneva On behalf of the T2K collaboration 13

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60 6 candidates after all cuts! N exp = for sin =0

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62 -- 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

63 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève INO ~7000 km (Magic distance) Part of Laguna study

64 Long distance: 2300km Pyhasalmi Fine grain detector e.g. 20kton fid. Larg + Magnetized detector Long distance allows rapid sensitivity to sign( m 2 13 ) 1st step easier: SPS C2PY consortium 1st priority Nextsteps: HP 50 GeV PS … …or neutrino factory Getting our feet on (under) the ground: LAGUNA –LBNO new FP7 design study main options Short distance: 130km Memphys at Frejus SPL+beta beam CP and T violation Medium term plans include long term plans! CERN EOI CN2PY

65 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève 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 expliquer deux ingrédients essentiels pour comprendre comment, du Big Bang, lunivers a évolué vers notre monde fait de matière. -- lexistence de matière noire -- 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! La communauté scientifique (le CERN en Europe) commence à considérer sérieusement un important programme neutrino après le LHC Les 30 années passées…. et les 30 années futures


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