Oscillation de neutrinos

L'oscillation du neutrino est un phénomène de la mécanique quantique, selon lequel un neutrino créé avec une certaine saveur leptonique (électron, muon ou tauon) peut être mesuré plus tard en ayant une saveur différente.

La probabilité d'avoir une mesure donnée de cette saveur varie de façon périodique alors que la particule se propage. L'oscillation du neutrino est d'intérêt tant théorique qu'expérimental, puisque l'observation de ce phénomène implique la non-nullité de la masse de la particule, ce qui ne rentre pas dans le cadre du modèle standard de la physique des particules.

Il existe 3 saveurs de neutrino pour chacun des leptons chargés :

• le neutrino électronique ν_e ;
• le neutrino muonique ν_μ ;
• le neutrino tauique ν_τ.

Il s'agit en fait des états propres du lagrangien d'interaction, c’est-à-dire des seules solutions possibles de l'interaction faible. Or, le lagrangien de propagation, c’est-à-dire la manière dont les neutrinos se propagent, a des états propres différents, que l'on nommera ν₁, ν₂ et ν₃. Une matrice d'éléments Uα_i où α est un état propre d'interaction ( e, μ ou τ) et i un état propre de propagation (1, 2 ou 3) permet de passer d'une base à une autre. Ainsi, un neutrino électronique créé lors d'une interaction est une combinaison linéaire des trois états propres de propagation. Ces trois états propres se propagent à des vitesses différentes. Donc, en fonction de la distance parcourue et de l'énergie du neutrino initial, la combinaison de ν₁, ν₂ et ν₃ évolue. C'est pourquoi, à un certain point de propagation, la combinaison peut correspondre à celle d'un neutrino muonique ou tauique. Le neutrino initialement électronique a changé de saveur : il s'agit de l'oscillation du neutrino.

Le processus ne peut être observé qu'à deux conditions :

• les états propres d'interaction et de propagation doivent être différents ;
• les neutrinos doivent avoir des masses différentes, ce qui explique leurs vitesses de propagation différentes.

Historique

En 1957-58, B. Pontecorvo considéra la possibilité d'une masse faible mais non nulle des neutrinos. La seule particule non massive connue est le photon pour une raison de symétrie. En effet, le principe d'invariance de jauge implique cette propriété mais il n'y a pas de tel principe pour les neutrinos. Pontecorvo a remarqué que rien n'impose que les états de saveurs des neutrinos soient des états propres de masse (propagation). Dans ce cas ils sont une combinaison linéaire des états propres de masse ν₁, ν₂, ν₃. De plus en supposant les masses des neutrinos très faibles ceci implique l'existence d'oscillations de neutrinos en analogie avec les oscillations des kaons neutres. Il a aussi montré que l'étude des oscillations des neutrinos permet une mesure très précise de leur masse. En effet, les entatives de mesures directes des faibles masses des neutrinos permettent seulement d'établir des bornes supérieures très imprécises à cause de la faible sensibilité permise par 'expérience comparée au domaine de masse des neutrinos.

Oscillations dans le vide

Un état de masse est une superposition d'états de saveurs différents ; il interagit donc « faiblement » avec des couplages relatifs proportionnels aux coefficients de la combinaison linéaire correspondante. Comme ces coefficients varient suivant les oscillations, les couplages relatifs changent pendant la propagation.

Oscillations dans la matière

Lorsque les neutrinos traversent la matière, leurs interactions (faibles) avec le milieu modifient leur propriétés. Un neutrino dans la matière peut échanger un boson Z avec un électron, un proton ou un neutron. Le modèle standard précise que les 3 saveurs de neutrino peuvent interagir de cette manière, et que l'amplitude de cet échange de Z est indépendant de la saveur. La matière étant électriquement neutre, pour l'interaction avec échange de Z les contributions des protons et des électrons s'annulent. Il reste un potentiel V_Z qui dépend seulement de la densité de neutron N_n et qui est le même pour les 3 saveurs. Le potentiel effectif pour les ν_e induit par leurs interactions courant chargé (boson W) avec les électrons de la matière est calculé égal à  ; N_e étant la densité électronique du milieu traversé et G_F la constante de Fermi. L'angle de mélange dans la matière θ_m est différent de l'angle dans le vide. Si la densité du milieu traversé varie, θ_m varie avec le temps au cours de la propagation et les états de masse sont fonctions du temps.

Preuves expérimentales

Plusieurs expériences ont mis en évidence cette oscillation de neutrinos. En 1998, l'expérience Super-Kamiokande permet pour la première fois de mettre en évidence ce phénomène d'oscillation^[1]. En 2010, des chercheurs travaillant sur l'expérience Opera annoncent avoir, pour la première fois, observé directement une oscillation du neutrino muonique vers le neutrino tau^[2]. En juin 2011, ce sont des chercheurs du projet T2K qui observent pour la première fois une transformation du neutrino muonique en neutrino électronique^[3].

θ₁₃

Les oscillations des neutrinos sont décrites à l'aide d'une matrice informant des divers paramètres entrant en jeu dans l'oscillation. L'un de ces paramètres, l'angle de Weinberg θ₁₃ (theta 13), constitue le seul paramètre dont la valeur est inconnue des scientifiques. L'expérience double Chooz, en construction dans la centrale nucléaire de Chooz, a pour but de découvrir la valeur de cet angle^[4].

Notes et références

Annexes

Articles connexes

• Neutrino ;
• Problème des neutrinos solaires ;
• Problème des neutrinos atmosphériques ;
• Matrice PMNS

• Portail de la physique