Les neutrinos à la rescousse 1. Qui sont les neutrinos? 2. Les questions qu’ils posent 3. La masse des neutrinos et leurs oscillations 4. Les questions auxquelles ils peuvent répondre 5. Le futur http://dpnc.unige.ch/users/blondel/conferences/cours-neutrino/physique-aujourdhui/

Neutrinos: la naissance d’une idée 1930 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 Le spectre des e- dans la Désintégration : dN dE E few MeV Wolfgang Pauli

Neutrinos detection difficile 1953 Reines et Cowan (Nobel 1995) Expérience au voisinage d’un réacteur nucléaire. La cible de détection est constituée de 400 litres d’une solution de fluorure de Cadmium dans l’eau. Les (anti)neutrinos du réacteur interagissent avec les protons de l’eau en donnant un positon (anti-electron) et un neutrino. On détecte en même temps les produits de l’annihilation 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 l’eau!)

ne ne ne Une propriété étonnante: 1957: L’ hélicité des neutrinos est mesurée (M. Goldhaber et al): Les neutrinos sont ‘gauchers’ (tournent dans le sens des aiguilles d’une montre) Les anti- neutrinos sont ‘droitiers’ (tournent dans le sens de la rotation de la terre) violation de la symétrie par renversement du systeme d’axes!!!! (parité) ne ne ne Ceci n’est jamais observé!

Symétries de la physique une parenthèse: Symétries de la physique 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 l’origine 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 l’espace (invariance par translation et rotation) et bien sur elle ne dépend pas de la chiralité des axes z z ou y y x x

Symétrie de parité: la physique s’exprime 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. L’image d’un gaucher dans un miroir est un droitier! miroir

on étudie les désintégrations béta du 60Cobalt dans un champ magnétique 60Co émet un electron (et un neutrino) Le noyau de cobalt a une charge + et un moment cinétique qui s’aligne sur le champ magbétique B Observation: (Wu 1956) les éléctrons sont émis de préférence à l’opposé du champ magnetique! dans la réaction beta, le moment cinétique de l’électron est anti-aligné sur sa quantité de mouvement, La préférence observée s’explique par la conservation du moment cinétique. S B I l’électron émis dans la désintégration beta est « GAUCHER » mais ceci viole évidemment le principe d’invariance par parité!

B B symétrie Situation permise = situation la plus fréquente Situation interdite = situation la moins fréquente La situation favorisée est en pointillés 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.

B B matière antimatière favorisée = situation la plus fréquente en fait NON: supposons maintenant que nous changions à un monde d’anti-matière = seules les charges changent B matière S antimatière Le courant créé par des positrons est en sens inverse I B favorisée = situation la plus fréquente Interdit = situation la moins fréquente le positron ne peut pas être gaucher…. La situation favorisée est en pointillés La désintégration beta fait une différence entre la matière et l’antimatière (on observe ceci par ex. dans les désintégrations des muons) l’electron est ‘gaucher’, et le positon est ‘droitier’ ! Mais si on fait une symétrie mirroir ET un changement matière-anti-matière RIEN NE CHANGE

B B anti-matière + miroir miroir supposons maintenant que nous faisions à nouveau une symétrie B S anti-matière + miroir miroir antimatière B 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 l’extraterrestre est fait de matière comme nous!

ce qui représente une très faible violation de la symétrie Il existe cependant un effet (assez petit) qui distingue matière et antimatière la particule K0L (neutre et invariante par symétrie CP!) se désintègre plus souvent en e+ que e- 1964 ce qui représente une très faible violation de la symétrie entre matière et anti-matière! « mon cher ami… vous faites un faisceau de K0L. la particule légère chargée produite le plus souvent est de l’antimatière… »

Ray Davis montrait expérimentalement que les (anti) neutrinos issus de réacteurs nucléaires n’interagissent pas avec le chlore pour produire de l’argon. reacteur : n  p e- ne ces ne ne font pas ceci: ne + 37Cl  37Ar + e- ce sont des anti-neutrinos il avaient été découverts ainsi: dans les réactions nucléaires est conservé.

Propriétés des Neutrinos 1960 En 1960, Lee et Yang realisent que la raison pour laquelle la réaction -  e-   n’est jamais observée (limite actuelle 10-11) c’est qu’il y a deux types de neutrinos différents: nm et ne Lee and Yang

Deux Neutrinos m- hadrons 1962 Premier faisceau de neutrinos artificiels Schwartz Lederman Steinberger Ces neutrinos  ne produisent que des muons, pas d’électrons quand ils intéragissent avec la matière nm m- W- hadrons N

La chambre à bulles Gargamelle Neutrinos au CERN Le ‘courant neutre’ La chambre à bulles Gargamelle CERN Découverte d’une nouvelle intéraction: nm + e  nm + e nm + N  nm + X (pas de muon, pas d’électron) Jusque là les neutrinos n’apparaissaient qu’en compagnie d’un électron ou d’un muon!

Z 1973 Gargamelle La naissance expérimentale du ‘Modèle Standard’ e- Choc élastique d’un neutrino sur un électron dans le liquide. Première apparition du boson Z nm nm Z e- e- La naissance expérimentale du ‘Modèle Standard’

Le Modèle Standard: 3 familles de quarks Et leptons de spin ½ qui interagissent avec des bosons de spin 1 ( g, W&Z, gluons) leptons chargés e m t mc2=0.0005 GeV 0.106 GeV 1,77 GeV leptons neutres = neutrinos ne nm nt mc2 <3 eV <3 eV <3 eV quarks d étrange beau mc2=0.005 GeV 0.200 GeV 5 GeV u charmé top mc2=0.003 GeV 1.5 GeV mc2=175 GeV Famille 1 Famille 2 Famille 3

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

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. Nn 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 = 2.984 0.008

Mais quelle est la masse des neutrinos? Rappels: la masse d’un electron est mc2 = 0,5 MeV La masse d’un proton est 2000 fois plus grande La masse de 3 1026 electrons ou 6 1023 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 l’origine de la masse manquante ou cachée de l’univers!

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 l’appelle aussi quantité de matière La masse intervient à la fois pour décrire l’inertie (Force = m x Acceleration ) et l’attraction de gravitation Poids = m x g (ce qui est en soi un mystère…) de façon relativiste la masse est la quantité qui différentie l’énergie de la quantité de mouvement E2 = (mc2)2 + (pc)2 (à l’arrêt cela devient E=mc2) 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 l’interaction avec le boson de Higgs, ET la quantité qui décrit la possibilité d’une particule Gauche de se transformer en particule Droite

e-+ e-- e+- e-+ spin impulsion particule (typechargehelicité) miroir = Parité, P e+- Parité et charge = CP Parité x charge x renversement du temps = CPT un électron qui change de direction (renversement du temps) produit le même courant qu’un positon qui va dans le sens d’origine e-+

e-+ e-- e-+ e-- spin impulsion particule (typechargehelicité) miroir = Parité, P si je me mets à la place d’on observateur situé dans un vaisseau spatial qui va à une vitesse supérieure à celle de l’électron, la vitesse de l’électron est renversée (il recule par rapport à moi) et je vois ceci: e-+ e-- à l’arrêt si je vais à une vitesse V >>

Dans le modèle Standard, les neutrinos n’ont 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 n’existent pas. Il n’y a pas de problème. Pas de masse = pas de problème

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

Neutrinos venus du ciel La détection des neutrinos du soleil avec Ray Davis depuis ~1968 Nobel 2002! Neutrinos venus du ciel La détection des neutrinos du soleil avec 600 tonnes de CCl4 le soleil est un réacteur nucléaire par fusion une des réactions : pp  pn e+ ne Détection ~1970: ne + 37Cl  37Ar + e- quelques atomes d’argon par jour! Détecteur de la mine de Homestake dans le Dakota Les neutrinos ont bien été observés ainsi ce qui démontre que le soleil fonctionne par réactions nucléaires!

ce qui veut dire qu’ils ont une masse Mais… on en observe trois fois moins qu’attendu! Le ‘puzzle’ des neutrinos solaires depuis 1968! solutions: 1) le soleil n’est pas ce qu’on 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 qu’ils ont une masse

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tn) Ces neutrinos de ‘saveur’ ne sont pas des états quantiques de masse bien définie (mélange des neutrinos) (ceci veut dire que l’opérateur de génération des masses de particules – qui nous est d’ailleurs complètement inconnu – n’est pas diagonal dans la base des interactions faibles. Ses états propres sont des ‘mass-neutrinos’ n1 n2 n3 ) Le mass-neutrino qui est le plus semblable à un neutrino electron est n1 Le mass-neutrino qui est entre les deux est n2 Le mass-neutrino qui est le plus dissemblable à un neutrino electron est n3

Mélange de neutrinos Bruno Pontecorvo 1957

Oscillations de neutrinos (Mécanique Quantique I leçon 5) source propagation detection L L’ interaction faible Produit des neutrinos de ‘saveur’ Par ex. pion p  mnm ¦nm> = a ¦n1 > + b ¦n2 > + g ¦n3 > La détection se fait à nouveau par interaction faible nm N  m- C ou ne N  e- C ou nt N  t- C P (nm  ne) = ¦ < ne ¦ n (t)>¦2 Les états propres de masse (mass-neutrinos) se propagent ¦n (t)> = a ¦n1 > exp( i E1 t) + b ¦n2 > exp( i E2 t) + g ¦n3 > exp( i E3 t) t = proper time  L/E Hamiltonien= E = sqrt( p2 + m2) = p + m2 / 2p Pour une quantité de mvt donnée les états propres de la propagation dans le vide sont les États propres de masse!

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! (150 000 000 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!

50000 tonnes d’eau ultra-pure Super-K detector Cerenkov à Eau 50000 tonnes d’eau ultra-pure 10000 Photo Multiplicateurs de 80 cm de diamètre à 10k$ pièce) 41.3 m 39.3 m C Scientific American Koshiba (Nobel 2002)

Aim: measuring non ne neutrinos in a pure solar ne beam SNO detector Aim: measuring non ne neutrinos in a pure solar ne beam How? Three possible neutrino reaction in heavy water: only ne equally ne+ nm + nt in-equally ne+ 0.1 ( nm + nt ) 1000 ton of D20 12 m diam. 9456 PMTs

Kamland

Kamland 2008

CONFIRMATION: les neutrinos atmosphériques.

Neutrinos Atmosphériques Distance entre production et détection de ~20km à 12700 km

Water Cerenkov detector 50000 tons of pure light water Super-K detector Water Cerenkov detector 50000 tons of pure light water 10000 PMTs 41.3 m 39.3 m C Scientific American

Séparer nm et ne nm N  m- C ne N  e- C

Atmospheric n : up-down asymmetry Super-K results e m up down

Atmospheric Neutrinos SuperKamiokande Atmospheric Result

Les masses des neutrinos semblent avoir leur origine http://alephwww.cern.ch/~bdl/lepc/lepc.ppt Les neutrinos ont donc une masse (il faut une masse pour pouvoir se transformer en vol) C’est sans doute la découverte la plus fascinante des dix dernières années. Ces masses sont TRES differentes de celles des autres particules! mc2 Les masses des neutrinos semblent avoir leur origine dans des processus de trés haute énergies trés proches du Big Bang

Les neutrinos ont une masse donc un neutrino gauche peut se transformer en neutrino droit!  donc les neutrinos droits existent! mais…. ils n’interagissent 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’ (c’est 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 » c’est l’hypothèse la plus probable.

La matière noire courbe A = loi de Kepler la Galaxie d’Andromède M=masse contenue à l’intérieur de l’orbite On observe B ce qui indique que la masse augmente linéairement avec la distance L’univers contient un continuum de matière noire

MATIERE NOIRE -- des trous noirs? -- des ‘Jupiters’? -- des particules neutres supersymmétriques -- des neutrinos ‘actifs’? -- des neutrinos stériles? pas assez pas vues peut-être!

Le Modèle Standard: 3 familles de quarks et leptons de spin ½ qui interagissent avec des bosons de spin 1 ( g, W&Z, gluons) leptons chargés e m t mc2=0.0005 GeV 0.106 GeV 1,77 GeV leptons neutres = neutrinos ne nm nt mc2 ?=? <1 eV <1 eV <1 eV quarks d s étrange b =beau mc2=0.005 GeV 0.200 GeV 5 GeV u c charmé t top mc2=0.003 GeV 1.5 GeV mc2=175 GeV Famille 1 Famille 2 Famille 3

Conservation des nombres leptonique et baryonique Vous et moi sommes faits d’ électrons et quarks Les électrons et les quarks sont élémentaires pour autant que nous sachions, ils n’ont pas de structure. Les électrons et quarks se conservent dans les réactions chimiques et physiques. Leur nombre n’a pas varié depuis 10-9 secondes après le commencement de l’univers, et ils nous survivront longtemps après notre mort…. Rien ne se perd, rien ne se crée… ?

où est passée l’anti-matière? UN MYSTERE….. Big Bang Il devrait y avoir autant de matière que d’anti-matière dans l’univers… où est passée l’anti-matière? ENERGIE Particule + anti-particule 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) L’effet est faible (baryons / photons ~ 10-9)

Pour briser la symétrie matière-antimatière il faut par exemple pouvoir transformer de la matière en antimatière. Pour les eletrons et les quarks c’est impossible a cause de la conservation de la charge électrique! e-  e+ Pour les neutrinos c’est impossible si ils sont de masse nulle (des particules de masse nulle ne se transforment pas) De plus il est fort bien vérifié que l’interaction 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 qu’extrêmement rares Electron charge -1 Neutrino charge 0 3 Quarks up charge 2/3 3 Quarks down charge -1/3

VIOLATION des symétries T , CP pour les LEPTONS L’asymétrie matière-antimatière de l’Univers requiert violation de CP ou T Celle des quarks (bien connue depuis 1964) ne suffit pas Boris Kayser 1014 NL NR e-R e-L e+R e+L mécanisme de balançoire 106 10-2 nL nR

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

Oscillation maximum 1.27 Dm2 L / E =p/2 Atmospheriqu Dm 2= 2.5 10-3 eV 2 L = 500 km @ 1 GeV Solaire Dm2 = 7 10-5 eV2 L = 18000km @ 1 GeV 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 l’invariance CP ou T. CP: P (nm ↔ ne) ≠ P (nm ↔ ne) T : P (nm ↔ ne) ≠ P (ne ↔ nm) Oscillations de neutrinos de 250 MeV P (nm ↔ ne)

Indication of νμ→νe appearance in the T2K EXPERIMENT 13 Alain Blondel – University of Geneva On behalf of the T2K collaboration

6 candidates after all cuts! Nexp=1.50.3 for sin2213=0

-- Neutrino Factory (Geer, Palmer) CERN layout 1016p/s 1.2 1014 m/s =1.2 1021 m/yr Nouvelle technique d’accélerateur 0.9 1021 m/yr _ m+  e+ ne nm 3 1020 ne/yr 3 1020 nm/yr oscillates ne  nm interacts giving m- WRONG SIGN MUON interacts giving m+

Part of Laguna study INO ~7000 km (Magic distance)

Getting our feet on (under) the ground: LAGUNA –LBNO new FP7 design study 2011-2014 CERN EOI 2 main options Short distance: 130km Memphys at Frejus SPL+beta beam CP and T violation CN2PY Long distance: 2300km Pyhasalmi Fine grain detector e.g. 20kton fid. Larg + Magnetized detector Long distance allows rapid sensitivity to sign(m213) 1st step easier: SPS C2PY  consortium 1st priority Nextsteps: HP 50 GeV PS … …or neutrino factory Medium term plans include long term plans!

Les 30 années passées…. et les 30 années futures LEP a vérifié le Modèle Standard des particules et mis en oeuvre un fantastique pouvoir prédictif.(1989-1994!) Entretemps….les neutrinos, après avoir fourni au MS sa première pierre expérimentals (Courants Neutres, 1973) étaient en train d’ouvrir la porte sur le monde au delà (masses et oscillations de neutrinos) Ceci pourrait expliquer deux ingrédients essentiels pour comprendre comment, du Big Bang, l’univers a évolué vers notre monde fait de matière. -- l’existence de matière noire -- la non-conservation du nombre de leptons (et baryons) -- la violation de l’invariance par renversement du temps pour les leptons Obtenir une vérification expérimentale de ces idées théoriques va necessiter de nombreuses années d’expérimentation délicate et précise! La communauté scientifique (le CERN en Europe) commence à considérer sérieusement un important programme neutrino après le LHC