Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. Les neutrinos sont des fermions de , plus précisément des leptons. Ils sont électriquement neutres. Il en existe trois « saveurs » : électronique, muonique et tauique.
L’existence du neutrino a été postulée pour la première fois en 1930 par Wolfgang Pauli pour expliquer le spectre continu de la désintégration bêta ainsi que l’apparente non-conservation du moment cinétique, et sa première confirmation expérimentale remonte à 1956.
Parce que la découverte de ces particules est récente et parce qu'elles interagissent faiblement avec la matière, au début du , de nombreuses expériences sont consacrées à connaître leurs propriétés exactes.
Origine du nom Le substantif masculin. neutrino est un emprunt à l'italien , dérivé de l'adjectif (« neutre ») avec le suffixe diminutif . Neutrino signifie donc « petit neutre ».
Histoire En 1930, la communauté des physiciens est confrontée à une énigme : la désintégration ne semble pas respecter les lois de conservation de l'énergie, de la quantité de mouvement et du spin. Pour satisfaire ces principes, Wolfgang Ernst Pauli postule l'existence d'une nouvelle particule, de charge électrique nulle, qu'il nomme initialement neutron (pour particule neutre, le neutron n'ayant pas été découvert), et dont il estime la masse au moins inférieure à celle du proton (lettre du de Pauli aux participants de la réunion de Tübingen W. Pauli. , , , 1930.). C'est le physicien italien Edoardo Amaldi qui donne à la nouvelle particule le nom de « » (en italien : petit neutron), en plaisantant pendant une conversation avec Enrico Fermi à l'Institut de physique des Garçons de la rue Panisperna à Rome, pour le distinguer du neutron, beaucoup plus massif, découvert par James Chadwick en 1932. Fermi utilisa le mot « neutrino » à la conférence de Paris de puis à la conférence Solvay de 1933, où Wolfgang Pauli l'adoptait lui aussi, l'introduisant ainsi dans la communauté scientifique internationale..
Le neutrino (en fait l’antineutrino électronique, , qui accompagne la formation d’un électron [ par conservation du nombre leptonique ] lors de la transformation d’un neutron en proton) est découvert expérimentalement en 1956, par Frederick Reines et Clyde Cowan, auprès d’un réacteur nucléaire. En 1957, l'expérience de Goldhaber au Laboratoire national de Brookhaven, mesure l'hélicité du neutrino et démontre que le neutrino n'a qu'une hélicité gauche. En 1962, Leon M. Lederman (1922-2018), Melvin Schwartz (1932-2006) et Jack Steinberger mettent en évidence le neutrino muonique () à Brookhaven. En 1978, Martin L. Perl (1927-2014) prédit l'existence du neutrino tauique (). En 1990, le LEP, au CERN, démontre qu’il n’existe que trois familles de neutrinos légers (certaines théories prédisant l'existence d'autres neutrinos de masse beaucoup plus importante). Enfin, en 2000, le neutrino tauique est découvert avec l’expérience DONUT () , fnal.gov ..
En 1998, l'expérience Super-Kamiokande met en évidence pour la première fois le phénomène d'oscillation des neutrinos, ce qui établit que le neutrino a une masse non nulle — bien qu'extrêmement faible.
Caractéristiques physiques Les neutrinos sont des particules élémentaires appartenant aux leptons (fermions de ). Il en existe donc trois saveurs, une pour chaque famille de leptons : le neutrino électronique ou neutrino-électron ; le neutrino muonique ou neutrino-muon ; le neutrino tauique ou neutrino-tau . Ils sont nommés d’après le lepton qui leur est associé dans le modèle standard.
Les neutrino ont une charge nulle et une masse encore inconnue, très faible mais non nulle.
En 1958, Maurice Goldhaber, et mettent en place une expérience qui démontre que l'hélicité du neutrino est négative (le spin pointe dans la direction opposée au mouvement). Alors que toutes les autres particules connues peuvent être « droitières » (hélicité positive) ou « gauchères » (hélicité négative), les neutrinos sont toujours gauchers et les antineutrinos droitiers.
Antineutrinos Des faisceaux d’antineutrinos muoniques ont été produits au Fermilab, par deux expériences : (MINOS), qui consiste à envoyer un faisceau d'antineutrinos au travers de la Terre vers un détecteur positionné au fond d'une mine (mine Soudan au Minnesota). Leur voyage de dure environ , ce qui leur suffit pour osciller et se convertir de manière mesurable. Une surprise a été de découvrir que les antineutrinos ne semblent pas se comporter comme des neutrinos, ce qui ne correspond pas à la théorie (symétrie CPT, pour « charge, parité, temps »)Laurent Sacco, Les antineutrinos contredisent-ils la théorie de la relativité ?, Futura Science, 2010. ; (BooNE) , fnal.gov..
Une des interrogations majeures persistantes au sujet du neutrino concerne la nature, encore indéterminée, de la relation entre le neutrino et l’antineutrino : si le neutrino est une particule de Dirac, comme le sont les autres fermions élémentaires du modèle standard, le neutrino et son antiparticule sont deux particules différentes ; si le neutrino est une particule de Majorana, le neutrino et l'antineutrino sont une seule et même particule.
Cette nature a des conséquences importantes, par exemple au niveau de l’asymétrie matière-antimatière de l'Univers.
Les antineutrinos seraient les antiparticules de neutrinos, particules de charge électrique nulle produites dans la désintégration bêta nucléaire. Ceux-ci sont émis lors des émissions bêta -, où un neutron se transforme en un proton. Ils ont un de ½, et font partie de la famille de particules dite lepton.
Tous les antineutrinos observés jusqu'à présent ont une hélicité positive (au contraire de celle des neutrinos). Les antineutrinos, comme les neutrinos, n'interagissent avec leur environnement matériel que via la gravitation et la force faible, ce qui rend leur détection expérimentale très difficile. Les expériences sur l'oscillation des neutrinos montrent que les antineutrinos ont une masse, mais les expériences de désintégration bêta laissent penser que cette masse est très faible. Une interaction neutrino-antineutrino a été suggérée dans les tentatives de tester une théorie voulant que les photons résultent d'une interaction neutrino-antineutrino, proposée par Louis de Broglie.
Dans plusieurs pays, des chercheurs ont aussi commencé à étudier la possibilité d'utiliser le monitoring des antineutrinos pour évaluer la nature du combustible présent dans un réacteur nucléaire, ce qui permettrait de contribuer à une meilleure prévention de la prolifération nucléaire James Holman (2008), , , .....
Des antineutrinos ont d'abord été détectés via leurs interactions avec des protons dans un grand réservoir d'eau installé à proximité d'un réacteur nucléaire comme source contrôlable d'antineutrinos.
Section efficace d'interaction Les neutrinos ne possédant pas de charge électrique ni de couleur, ils interagissent uniquement par interaction faible (bien qu'ils soient également sensibles à la gravité, son effet est très largement négligeable). Leur section efficace d’interaction (leur probabilité d’interagir) est donc très faible car il s'agit d’une force à courte portée.
Le rapport entre la section efficace d’un neutrino d', et celle d’un électron et d’un proton de même énergie est approximativement de . Sur dix milliards de neutrinos d' qui traversent la Terre, un seul va interagir avec les atomes constituant la Terre. Il faudrait une épaisseur d’une année-lumière de plomb pour arrêter la moitié des neutrinos de passageNeutrino électronique .. Cette section efficace augmente avec l'énergie du neutrino : ainsi la Terre est opaque aux neutrinos d'ultra-haute énergie (au-delà de ).
Les détecteurs de neutrinos contiennent donc typiquement des centaines de tonnes d’un matériau et sont construits de telle façon que quelques atomes par jour interagissent avec les neutrinos entrants. Dans une supernova qui s’effondre, la masse volumique dans le noyau devient suffisamment élevée () pour que les neutrinos produits puissent être retenus un bref moment.
Oscillations
Des expériences ont démontré que les neutrinos pouvaient changer de saveur, c'est-à-dire se transformer continuellement d’une forme de saveur (électronique, muonique ou tauique) en une autre. Ce phénomène, appelé « oscillation des neutrinos », a été imaginé dès 1957 par Bruno Pontecorvo, puis formalisé en 1962 par , et Shōichi Sakata dans le cas d'une oscillation à deux saveurs (voir aussi Matrice PMNS, pour « Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata »).
Pontecorvo prédit en 1967 que les oscillations devraient conduire à un déficit de neutrinos solaires vus depuis la Terre. Cette prédiction est confirmée expérimentalement dès 1968, sans toutefois que la preuve soit apportée qu'elle est bien due aux oscillations : ce n'est qu'en 2001 que l'observatoire de neutrinos de Sudbury met un terme au « problème des neutrinos solaires », en démontrant que c'est bien le cas ; mais la première mise en évidence décisive des oscillations est obtenue en 1998 par l'expérience menée dans le détecteur Super-Kamiokande, qui montre une dépendance entre le nombre de neutrinos muoniques créés par les interactions des rayons cosmiques avec l'atmosphère et la distance parcourue avant qu'ils soient détectés ; l'expérience OPERA a également permis d'observer en 2010 la présence d'un neutrino tauique au sein d'un faisceau de neutrinos muoniques ; l'expérience Double-Chooz témoigne également fin 2011Premiers résultats de l’expérience Double Chooz : manquerait-il des neutrinos ?, CNRS/In2p3, . d'un phénomène de disparition de neutrinos électroniques, imputable à cette oscillation. En , l'expérience de Daya Bay confirme ces résultats avec une précision accrue (5σ) , sur arXiv..
Masse Dans le modèle standard, la théorie actuellement acceptée pour décrire le comportement des particules élémentaires, les neutrinos n'ont pas de masse. Les expériences visant à mesurer une éventuelle masse ont de fait toutes échoué, en accord avec le modèle standard.
Cependant les équations de l'interaction faible prédisent que si et seulement si les neutrinos ont une masse, alors un phénomène d'oscillation entre les différentes saveurs doit se produire lors de leur propagation. Or ces oscillations ont effectivement été observées, ce qui constitue une brèche dans le modèle standard.. Les caractéristiques de ces oscillations ne fournissent pas la masse des trois neutrinos mais seulement les différences entre les carrés de leurs trois masses, par exemple et où , et sont les masses des neutrinos électronique, muonique et tauique, respectivement. La masse peut être nulle, si c'est le cas les deux autres valent environ 0,01 et 0,05 eV/c..
Les oscillations sont ainsi une preuve indirecte de la masse des neutrinos, mais les méthodes actuelles de mesure directe n'ont pas la sensibilité suffisante pour la déterminer. Ce sont les contraintes cosmologiques apportées par le satellite WMAP (interprétées dans le cadre des modèles cosmologiques actuels) combinées aux résultats des expériences d’oscillations qui donnent pour la masse des trois neutrinos les limites supérieures les plus basses, qui dépendent d'hypothèses cosmologiques : m(ν) < , m(ν) < et m(ν) < .
Indépendamment d'hypothèses liées à des modèles, des limites supérieures à la masse des neutrinos sont données par des expériences à désintégration bêta du tritium. La contrainte directe la plus précise obtenue en 2024 par l'expérience KATRIN (pour « Karlsruhe Tritium Neutrino ») fixe la limite supérieure à (avec un intervalle de confiance de 90 %). En 2025, cette limite supérieure est abaissée à (masse de l'antineutrino électronique, basée sur la mesure de l'énergie de 36 millions d'électrons collectés sur 259 jours), soit moins d'un millionième de la masse de l'électron...