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« Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 LES NEUTRINOS Jean Favier LAPP Université de Savoie IN2P3,CNRS Photo Dussert.

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1 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr LES NEUTRINOS Jean Favier LAPP Université de Savoie IN2P3,CNRS Photo Dussert

2 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr Neutrinos? Nous baignons dans une nuée de particules, beaucoup plus nombreuses que toutes les autres : pour 1 électron, l’univers contient mille milliards de neutrinos, particules sans charge électrique intéragissant d’une facon incroyablement faible avec la matière (expériences très difficiles) Ces fantômes peuvent traverser 100.000.000 terres alignées sans intéractions Nous sommes traversés chaque seconde par 100.000.000.000.000 neutrinos provenant du soleil QUELLE MASSE ONT-ILS ?

3 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr Naissance du neutrino les Radioactivités Radioactivité  Radioactivité  + EE  + 210 Po 4 He + 206 Tl+ 5.3 MeV

4 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr Noyau A Noyau B + électron Quelque chose doit s’échapper pour conserver l’énergie et l’impulsion C’est le « petit neutre » (Pauli,1930) Noyau A Noyau B + e + neutrino Radioactivité  + e A B E max Energie de l’electron

5 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr

6 100 microns 10 microns0.1 micron 0.001 0.0001 micron 0.00000001 micron Plongeons dans la matière…

7 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr Un atome ? m electron =1 / 1000000000000000000000000000000 kg famille leptons quarks plume e - 1 e d 14 u 6 mi-lourd  - 200  s 220 c 2600 lourd  - 3500  b 8400 t 340000 Proton: uud 2000 Neutron: udd

8 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr Les Forces Electro-magnétique  = le photon m=0 Forte  = le gluon m=0 Faible  = les W ±,Z 0 m=160000 e p1 p2 

9 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr Fiche signalétique du C’est une particule élémentaire (non divisible) Charge électrique 0 Masse : nulle,petite ???) Spin ½ (fermion) Interaction: seule une très faible interaction Stabilité : semble stable, mais …

10 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr 3 familles: e +p e + + n + ….( 1951-56 ) Reines et Cowan  +p  + + n + … ( 1962 ) Lederman, Scwartz, Steinberger  +p  + + n + ….( 2000 ) experience DONUT 4 ou plus ? LEP a dit 3 Pourquoi 3 familles ???? Peut-être la seule solution pour aboutir du Big-Bang à un monde de matière stable, débarrassé de l’anti- matière ??? Pourquoi des masses aussi petites pour les neutrinos ?? origine des masses et de leur diversité: le grand chantier en cours!

11 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr Intéraction faible? Le boson d ’échange est très lourd : x 80 masse du proton portée de la force très petite probabilité de passer « à portée » très faible Les peuvent voyager dans la matière tout droit: …. 10.000.000 terres alignées sans les voir !! Sur terre nous recevons en eux des messagers venant en ligne droite des galaxies : astronomie neutrino?

12 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr Sources Naturelles Le Soleil: 10 11 /cm 2.sec Fusion: p+p+p+p 4 He+e + +e + + e + e La Terre: 10 7 /cm 2.sec ( Radioactivité  ) Rayons cosmiques +atmosphère: 1. /cm 2.sec Les Super-Novae: SN1987: 10 59 Le Ciel profond Les « fossiles » : 100. /cm 3 1 sec après le Big-Bang …

13 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr Peut-on en fabriquer nous- mêmes? Réacteurs nucléaires 5. 10 20 /sec Radioactivité  (0 à 10 MeV) ici: 1 million/ cm 2 (Bugey) Bombes à hydrogène: 10 28 /sec...pendant quelques millisecondes :mais utilisation délicate! Futur faisceau CNGS du CERN...20000/m 2.sec près de Rome (0 à 40 GeV)

14 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr Comment détecter les neutrinos Les réactions de détection ex: e +p n+e + Flux de neutrinos le plus grand possible Masse du détecteur la plus grande possible Prise de données la plus longue possible Se protéger des cosmiques et des gammas EXPERIENCES TRES DIFFICILES

15 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr Un détecteur à basse énergie Source: un réacteur Réaction de détection: +p e + + n Milieu cible: liquide scintillant La lumière produite mesure l’énergie déposée par le positron et le neutron; on la collecte et mesure par des photo- multiplicateurs Protection contre les cosmiques et la radioactivité (intérieure et extérieure)

16 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr Le photomultiplicateur (P.M.) 2000 volts 10.000.000 e - 1 e -  2 4 …etc…. 12 1 3 Permet la détection d’un seul photon ! (bleu)

17 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr Expérience du Bugey (France, 1996) un module= 600 litres de liquide scintillant + 196 photo-multiplicateurs 15 et 40 m de distance d ’un réacteur, sous 2 a 5 m de béton : 50 évènements /heure a 15m c’est moi ! Bugey

18 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr Kamland Expérience de Kamland (Japon, 2003) 1000 tonnes de scintillateur + 2000 p.m 180 Km de distance des réacteurs, sous 1000 m de roches 100 bons évènements en 140 jours 13 m

19 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr L ’effet Čerenkov et l ’eau Une particule chargée traverse la matière en excitant sur son passage les atomes. Si la vitesse de cette particule dans le milieu est supérieure à celle de la lumière, alors la lumière de désexcitation est cohérente L ’EAU PURE a une longueur de transparence de 60 m dans le bleu Un électron d’énergie supérieure a 0.6 MeV, ou un muon supérieure a 120 MeV vont émettre de la lumière en traversant l ’eau: il suffit de détecter cette lumière par des p.m pour réaliser un DÉTECTEUR à NEUTRINO. Un tel détecteur peut mesurer l’énergie et la direction de la particule qui produit la lumière bleue

20 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr truc (Trans J.J Gomez Uni. Valencia,Sp)

21 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr Super-Kamiokande 50000 tonnes 11147 p.m 1000 m 10000 atmosphériques 10 millions solaires

22 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr truc

23 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr Le soleil vu a travers la terre…

24 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr Mer et.... Antarès

25 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr.... Glace Amanda Ice Cube

26 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr Peut-on mesurer directement la masse du neutrino? Spectre  du tritium 3 H 3 H 3 He + (e - + e =18.6 KeV) masse e < masse e - / 255.000 (2 eV) E max= 18.6 KeV (M e =0) Masse =M e Spectre d’énergie de l’électron 

27 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr Les neutrinos disparaissent ! On sait calculer d’une facon précise le flux de e solaires (modèle du soleil) L’expérience de Davies : flux = 30 % du flux attendu !! Désintégration? NON! Autre phénomène? Déclenchement de plein d’expériences ! e + 37 Cl 37 Ar+e - 600 tonnes de C 2 Cl 4

28 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr Oscillations ! La Mécanique Quantique permet d’étranges phénomènes (pas intuitifs du tout) : nos trois neutrinos sont en fait trois aspects différents d’un même objet. Lors de son vol, il peut changer progressivement d’aspect, et ce, d’une manière répétitive, oscillatoire. ( schizophrènie du neutrino)

29 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr pour 2 familles…. P apparition = Asin 2 [ a(m  2 -m  2 )L/E ] P disparition =1. - P apparition kmkm kmkm apparition disparition Flux  Flux  Pour E = 1 GeV m  2 -m  2 = 0.1 eV 2 et A=1

30 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr SNO e +d e - + p + p (CC) +d + p + n (NC) SNO mesure le flux des e du soleil SNO mesure aussi le flux total des 3 familles. e e +  +  1000 tonnes d’eau lourde D2O 5300 tonnes d’eau ordinaire 9500 p.m. 2000 m sous terre 0.3

31 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr Super-Kamiokande (JJ.Gomez Uni Valencia,Sp)

32 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr Super Kamiokande S.K a mesuré une disparition des  qui dépend de leur énergie et de leur distance d’origine; les e ont eux une intensité normale Tout est compatible avec une oscillation  -  telle que M 2  -M 2  = 2 10 -3 eV 2 et A =1 terre air S.K

33 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr En résumé… M e <2 eV et Les neutrinos semblent avoir une masse très faible mais non nulle Le phénomène d’oscillation semble exister et permet d’accéder à des différences de masse très faibles Schéma préfèré:    M 2 = 2 10 -3 eV 2 A=1  e  m 2 =10 -4 eV 2 A=0.3

34 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr Historique 1913 Chadwick spectre continu  Nobel 1934 1930 Pauli hypothèse du neutrino Nobel 1945 1951-56 Reines et Cowan e (réacteur ) Nobel 1995 1962 Lederman,Schwartz,Steinberger  Nobel 1988 2002 “ DONUT” Fermilab :  1970-2000 Davis : disparition e Nobel 2002 1980-2001 Koshiba : disparition  Nobel 2002 2001-2 SNO disparition e et flux total OK

35 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr Programme proche et futur Mettre en évidence l’apparition: (du  OPERA, ICARUS) Préciser les différences de masse (MINOS) Préciser les probabilités de transition OPERA, ICARUS, MINOS Valeurs absolues des masses Moyens: super-faisceaux, détecteurs géants, 2-  ( utiliser des sources de spectre bien connu)

36 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr OPERA (2006) Mise en evidence de  dans un faisceau de 

37 « Amphi Pour Tous » Jean Favier, LAPP, CNRS, Dec 2003 favier@lapp.in2p3.fr A faire en plus Finir sur masse totale des nu et cosmologie(recontracti on,etc) Parler Frejus+CERN Proton decay Faire un lien pour l’expose entre les sujets


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