Introduction à la session neutrino Haiku japonais XIVème Oh neutrino Un peu de poésie dans un monde d’énergie transverse manquante

De quoi je vais vous parler Il était une fois le neutrino (je vous parle d’un temps que les moins de 20 ans ne savaient pas qu’on pouvait faire de la physique avec moins de 1 Geuro et moins de 50 thésards par canal d’analyse) Ce qu’on sait sur le neutrino (séance d’autocongratulation en vue de montrer à la communauté scientifique que malgré les difficultés on a fini par apprendre des trucs sur le neutrino) De quoi je vais pas vous parler Non non n’insistez pas je n’en parlerais pas Ce qu’on cherche à savoir (s’allonger au bord de la piscine et conter les neutrinos)

Il était une fois le neutrino 1930 Le neutrino s’invite au bal : Pauli émet l’hypothèse d’une particule neutre, légère, de faible interaction, émise avec le  et emportant une partie de l’énergie 1933 Fermi prémisses de l’interaction faible -> 1975 EW Glashow, Weinberg, Salam, Yang, Mills …)  - : n → p + e Reines et Cowan : 1ere détection auprès de réacteur Découverte de la radioactivité – Rayonnements  1914 Chadwick observe un spectre continu dans les désintégrations béta M(Xi) - M(Xf) > E(  ) → E non conservée !? Chercheur fou essayant d ’élucider l’énigme du spectre  Effet de la radioactivité sur le petit personnel (« mieux vaut ne pas y penser, comme les nouveaux impôts » - Debye)

Petit intermède sur l’image de la radioactivité au fil des ans Première moitié du XXème : la radioactivité comme nouveau terrain de jeu (PN Becquerel, Curie) la radioactivité rend beau, soigne tout, tient chaud Deuxième moitié du XXème : Avec mon dentifrice au radium je n’ai plus jamais mal aux dents la radioactivité fait peur ! La photo à laquelle vous avez échappé : « Iradia c’est chaud, c’est chic Mettez du soleil dans votre slip »

Le charme discret du neutrino Il existe 3 pour 3 saveurs leptoniques : e      Véritable particule fantôme A 10 MeV il faut une 1 année lumière de plomb pour en stopper la moitié Largeur du Z (LEP 1991) Il interagit avec la matière uniquement par interaction faible (Z 0, W +- ) 1 a.l Mince je crois qu’on a perdu Michel Timidité du   Je pouvais pas me montrer avant, je n’étais pas maquillée Fiers et discrets comme un neutrino Nul ne peut nous attraper Nous traversons gaiment les flots Et une bouteille de rhum Chant pirate XVIIIème

Il interagit peu mais … Le soleil 70 milliards /sec/cm2 reçus sur terre Les 1 km ~ Flux soleil Supernova flux solaire en quelques secondes Les rayons cosmiques La Terre ~ 2000 /sec/cm2 Le Big Bang Univers ~ 300 / cm3 Sources astrophysiques Les collisionneurs L’homme ~ 4000 / sec Y en a pleiiiiin !!!!

30 ans de problème solaire One of the miners came over to our bench, said "Hello, Dr. Davis. How is it going ? You don't look too happy." And Ray replied :"Well, I don't know … Im capturing in my tank many fewer of those neutrinos than this young man says I should be capturing." The miner finally said :"Never mind Dr Davis, it has been a very cloudy summer here in South Dakota" J. Bahcall à propos de Ray Davis Du soleil à la terre le neutrino lunatique Les chercheurs de neutrinos solaires expriment leur mécontentement

Coup de masse sur le MS Le neutrino oscille et donc il a une masse  Physique au delà du MS  Résout le problème solaire New York Times 5 Juin 1998 Résultats Kamiokande

Masse higgs passe quoi pour le neutrino ? Une particule acquière sa masse en interagissant avec le champs de Higgs Les particules droites deviennent gauches et réciproquement. Qu’en est-t-il alors du neutrino ? p → n + e + + eL n → p + e - + eR Droit Gauche a: MS = m = 0 -> incompatible avec données b: sR -> mécanisme de Higgs « normal » problème : m << ml => Higgs = top Higgs c:  = -> termes de Majorana Interaction normale avec le Higgs Neutrino droit lourd de Majorana M See-saw : m ~ m D 2 / M Leptogénèse d->z: plus de Higgs, plus de dimensions, plus de rhum … (Murayama)

Oscillation : cas à 2 saveurs 1) dans le vide  e Longue distance (ex soleil) P ~ ½ sin   Pour mesurer  m 2 il faut connaitre L/E (réacteurs, long baseline …) états propres de masse (propagation) états propres de saveur (interaction)

Dans la matière, les e ressentent un potentiel supplémentaire (CC) Dans le vide P=P(sin 2  ) => P(  )=P  ) = P(  )=P(  ) Dans le vide P=P(sin 2 (  m2)) => mesure de |  m2| Si effet matière  m 2 et –  m 2 donne des résultats différents ! Les expériences de solaires permettent de mesurer le signe de  m2 et de réduire d'un facteur 2 la dégénérescence sur  Oscillation : cas à 2 saveurs 2) dans la matière Possibilité de résonnance (MSW)

Oscillation : cas à 3 saveurs Matrice PMNS (Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata) 2 phases de majorana1 phase de violation de CP solaires atmosphériques violation CP  Les probabilités de disparition P(l->l) sont différentes de celles d’apparition P(l->l’)

Résultats expérimentaux SNO :  tot =  sol SK : oscillation des atm K2K, Minos Chooz : meilleure limite  13 KamLAND : distorsion > 5 

 m 21 2 = 7.59± eV 2 tan 2   =  m 23 2 | = 2.35± eV 2 sin 2 2   > 0.95 à 90% CL  m 13 2 =  m 23 2 sin 2 2   < 0.1 à 90%CL Les 3 inconnues de la matrice de mélange :  13,  signe  m 2 23 Résultats expérimentaux

Mesure de  13 : Réacteurs Double Chooz -> Vincent Durand, Daya Bay, Reno Nécessite une connaissance précise de  m 2 32 Erreurs systématiques dominées par le flux et le spectre attendu (~2%) -> 1 détecteur Near (flux) et 1 Far (oscillation) : erreur relative ~0.2% Near Far Les derniers mystères

 23 et  m   ->   et  : long baseline Les derniers mystères Faisceau intense et contrôlé de  Détecter     => Opera : Florian Brunet Si off-axis ~ faisceau mono-énergétique => on peut optimiser E/L Détecter        e T2K : Michael Macaire Minos, Nova

 23 et  m   ->   et  : long baseline Apparition e sin 2 2    m 23 2 sin 2 2   Disparition   Dégénérescences : doublet ( ,  13 ), signe  m 2 23,    ou    Nécessite plusieurs expériences, L/E, apparition vs disparition, nu vs anti-nu Les derniers mystères

L’insoutenable légèreté du neutrino Quelle est la masse absolue du neutrino ? Mesure cosmologique ∑ m( ) < 0.76 eV Mesure indirecte : recherche de la double désintégration bêta sans émission de Mesure directe : mesure ultra précise du spectre  du tritium KATRIN : sensibilité m( e ) ~ 0.2 eV

La  Inconvénients : il faut un de Majorana ne mesure pas m(  mais qui peut être << m(  (A, Z) (A, Z+1) (A, Z+2) E ββ Q ββ Light exchange Si le neutrino est de Majorana :  Avantages : si découverte => est de Majorana ! très bonne sensibilité actuellement ~ 0.5 eV futur (2015) ~ 0.05 eV CUORE, SuperNemo …

Ce qu’on peut faire avec le neutrino 2) Profiter de sa faible interaction dans la matière pour sonder ou détecter des objets inaccessibles : quelques exemples 3) On peut aussi faire des définitions supernazes à Dixit mais vog ou j’appelle mon pote à la trompette 1) D’horribles catastrophes 2012 Tapisserie de l’Apocalypse

L’essentiel est invisible pour les yeux on ne voit bien qu’avec le cœur Les photons du soleil sont détectés 1 million d’années après leur émission, les ~ 8 min 91% 0.008% 7% 0.2% Détection des 7 Be (incertitude 40% -> 5-10%), pp (2%->0.5 %) Borexino, KamLAND …

Dans la famille le neutrino comme messager je voudrais la terre La terre (R = 6378 km) est très mal connue en profondeur: homme < 4 km, forage < 20 km, échantillon < 200 km Inverse  -decay threshold Détection des geo-neutrinos -> composition chimique interne : quantité absolue et distribution dans le cœur, manteau, croûte -> mécanismes de formation de la Terre et des autres planètes -> mécanismes de génération de chaleur dans la Terre et son évolution (chaleur radiogénique ~ 19 TW / ~ 40 TW) Nouvelle fenêtre en physique du neutrino ouverte par KamLAND et qui nécessite un détecteur spécifique (HawaïLAND)

Le neutrino comme messager Les neutrinos sont neutres : information directionnelle sur la source Faible interaction => longues distances Nouvelle fenêtre qui s'ouvre sur l'Univers Détection d’AGN, sursauts gammas … les neutrinos permettent de contraindre les modèles d’accélérateurs cosmiques -> Antares, Icecube …

Bientôt disponible sur smartphone l’application neutrino Détection de SN : seulement 24 évènements (1987) SNIIa : 99% de l’énergie émise en (10 57 ) Possibilité de mesurer leur masse si ondes gravitationnelles -> t 0 Les neutrinos arrivent avant les photons Envoyer des messages super loin dans l’espace (g33k pawa) sans risque de se faire espionner (à part des fois quand même) Contrôler les réacteurs nucléaires (enrichissement) en mesurant le flux de Le viseur de la Forge peut détecter les neutrinos Star Treck next generation The Enemy

Remerciements et conclusion Je remercie J. Serreau et Dixit pour les illustrations neutrinos Je rappelle que la physique du neutrino est une science sérieuse, d’ailleurs je me mets à la cosmologie Observation du neutrino lourd de Majorana dans SK C’est pas vrai c’est Pedro le gros