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Le Collège de France (Paris V) Un neutrino pour quoi faire ? 1896 : 238 U 234 Th + particule alpha Cette émission sera baptisée radioactivité alpha.

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2 Le Collège de France (Paris V)

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4 Un neutrino pour quoi faire ? 1896 : 238 U 234 Th + particule alpha Cette émission sera baptisée radioactivité alpha 1900 : mise en évidence de lémission gamma (Paul Villard) 1914 : Chadwick mesure le spectre continu délectrons radioactivité bêta 1930 : N N+e N N + e +? (Pauli) 1933 : théorie proposée par Fermi pour n p + e + v e et beaucoup plus tard une théorie complète avec

5 Désintégration du tritium

6 Les acteurs Puis dans une deuxième phase dautres types de neutrinos sont produits avec des accélérateurs... dès En 1968 R.Davis détecte pour la première fois des neutrinos issus du soleil En 1987 un détecteur géant détecte des neutrinos dune supernova ! Lastronomie neutrino est en marche..... Pauli invente le neutrino 1930 Fermi explique 1933 Reines et Cowan le découvrent en 1956

7 Wolfgang Pauli Chères Mesdames, chers Messieurs les Radioactifs, Comme va vous lexpliquer avec plus de détails celui qui vous apporte ces lignes et auquel Je vous prie daccorder toute votre bienveillante attention, il mest venu en désespoir de cause, face à la statistique fausse concernant les noyaux N et 6 Li ainsi que le spectre continu, lidée dun expédient pour sauver le principe déchange de la statistique et le principe de conservation de lénergie. Il sagit de la possibilité quil existe dans les noyaux des particules électriquement neutres, que je propose dappeler neutrons, dotées dun spin de valeur ½, obéissant au principe dexclusion et qui de surcroît se distinguent des quanta de lumière par le fait quils ne se déplacent pas à la vitesse de la lumière. La masse des neutrons devrait être du même ordre de grandeur que celle des électrons, et en tous cas non supérieure à 0,01 de celle des protons. Le spectre continu se comprendrait alors en admettant par hypothèse que lors de toute désintégration est émis, outre lélectron, aussi un neutron, de telle sorte que la somme des énergies du neutron et de lélectron soit constante. La question qui se pose maintenant est de savoir quelles forces agissent sur le neutron. Pour des raisons relevant de la mécanique ondulatoire (et dont celui qui vous transmets ces lignes est en mesure de vous informer plus précisément), le modèle le plus vraisemblable pour le neutron me semble impliquer qau repos il soit un dipôle magnétique doté dun certain moment. Les expériences exigent assurément que laction ionisante dun tel neutron ne puisse pas être supérieure à a celle dun rayon et donc la dimension linéaire de ne doit sans doute pas être supérieur à 10 –13 cmA lheure actuelle, cependant, je ne maventurerai pas à publier quelque chose sur cette idée, je me tourne dabord en toute confiance vers vous, chers radioactifs, pour vous demander ce quil en serait dune expérimentation établissant lexistence dun tel neutron si celui-ci devait présenter un pouvoir de pénétration égal ou supérieur dun facteur 10 à celui dun rayon gamma. chers Radioactifs, examinez et jugez.- malheureusement, je ne peux pas venir moi-même à Tubingen, ma présence à Zurich étant absolument requise en raison dun bal qui a lieu dans la nuit du 6 au 7 décembre.- Je vous salue bien tous, ainsi que M.Back. Votre très dévoué, Neutrinos: naissance d une idée 1930

8 J Chadwick Neutrinos ou neutrons 1932 Chadwick découvre le neutron mais celui-ci est trop lourd pour être la particule de Pauli. Pauli répond ….

9 Neutrinos 1933 Pauli répond en Octobre Leur masse ne peut guère être supérieure à celle de lélectron. Fermi les baptisera neutrinos pour petits neutrons. E Fermi

10 Neutrinos détection directe 1953 Reines and Cowan La cible est constituée de 400 litres deau et de Chlorure de Cadmium. Le neutrino interagit avec un proton et donne un positon(e+) et un neutron (n). e+ et e- sannihilent en 2 photons. Le neutron ralentit et capturé par le Cadmium donne 3 photons 15 microsec plus tard Tous les photons sont détectés et le retard signe le neutrino.

11 Les constituants élémentaires de la matière En particulier il existe un antineutrino associé à chaque espèce de neutrino : e

12 La matière Les quarks : u, d, s c, b, t Les leptons : e,

13 Les Sources de neutrinos Naturelles Artificielles Le Soleil Les collisions atmosphériques Les super-novae Le big-bang ! Les réacteurs Les accélérateurs Les Bombes!

14 Les sources naturelles du neutrino p + p e + + d + e Les neutrinos émis par le soleil, témoins de la synthèse de lhélium. d + p 3 He + 3 He + 3 He 4 He + 2p Neutrinos issus des supernovae e - + p n + e et du cosmos e + + e - +

15 Production d hélium dans le Soleil

16 Les rayons cosmiques T14

17 Deux Neutrinos 1962 Schwartz Lederman Steinberger Les neutrinos issus des - ne produisent que des muons après avoir interagi AGS Proton Beam

18 Deux sources artificielles de neutrinos Les centrales nucléaires La centrale nucléaire de Chooz dans les Ardennes, d'une puissance de 2 x MWTh, représente fissions/s soit 6 fois plus de neutrinos. Le détecteur, situé à une distance de 1000 m de la centrale......est installé à une profondeur de 100 m Une bombe thermo- nucléaire

19 Comment les voir ? On dit quon les détecte…..

20 La mise en évidence des neutrinos Expérience de Reines et Cowan (1956) Le neutron est capturé par un atome de cadmium qui en se désexcitant produit 3 photons gamma. Par ailleurs, le positon sannihile avec les électrons pour donner 2 photons gamma.

21 Effet Cerenkov V e > c/n

22 Effet CerenkovEffet Cerenkov c 0 = speed of light in vacuum Cherenkovlight wavefront Compare : shock wave of supersonic airplanes See for a nice illustration

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24 Le spectre électromagnétique Longueur donde (m) Energie (eV) Astro gamma ( eV) La « lumière »

25 La « lumière » des neutrinos R.Davis M.Koshiba

26 Neutrino Windows Neutrino Facilities Assessment Committee, NAS (2002)

27 Difficulté fondamentale On attend de l ordre de 1 à 10 coups par tonne de détecteur et par jour. Alors que 1g d uranium correspond à coups par seconde ! Par conséquent il faut impérativement réduire le bruit de fond ou caractériser l événement que l on cherche. Pour ces raisons il faut se protéger (sous terre ou sous la mer….) des rayons cosmiques et de la radioactivité naturelle (blindage actif et passif).

28 Observatoire Souterrain 60 milliards de neutrinos par seconde par cm2 Et 1 seul sarrete par jour et par tonne

29 Mine de Homestake (Dakota du Sud)

30 Neutrinos Neutrinos solaires Ray Davis Détection de neutrinos solaires 600 tonnes de Chlore neutrinos > 1 MeV vérifie la fusion dans le soleil Le nombre de neutrinos détectés est 3 fois plus petit que le nombre attendu ! Détecteur Homestake Prix Nobel 2002

31 20 mai 1968

32 La masse du neutrino ? Dès les premières secondes l'univers se remplit de neutrinos : Aujourdhui il y en a 100 par cm 3 et par espèce. Avec m = m e La densité de lunivers en neutrinos est : 300 x 10 6 m e / m 3 = lunivers se recontractera !!! Quelque soit m non nulle le neutrino peut osciller

33 Gran-sasso

34 Le LNGS Le laboratoire du Gran-Sasso à l Aquila

35 Hall C (Gran-Sasso) Au premier plan (gauche) on voit le prototype de BOREXINO. À droite le conteneur en acier pour BOREXINO

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37 Prototype- (C.T.F)

38 La Sphère de Borexino La sphère intérieure dans Borexino est tapissée avec 2200 Photomultiplicateurs.

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40 ondes gravitationnelles s lumière Signal explosion supernova

41 Le détecteur Super Kamioka au Japon

42 T13 Comment voit-on lUnivers ?

43 Neutrino Astrophysique IceCube Km 3 Détecteur 250Meuros Neutrinos de très hautes énergies

44 IceCu be Le détecteur profond m 80 tiges 4980 photomultiplicateurs

45 On ajoute la dimension spatiale……….. Ce qui signifie que les expériences futures Seront principalement réalisées a partir De satellites (stations spatiales)

46 Bruit de fond Cosmique Les Neutrinos se découplent 1 seconde après le big-bang Ils sont environ 300 / cm3. Leur détection reste un défi Le but Ultime Neutrinos des tous premiers instants de l Univers


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