Oscillations des neutrinos. Oscillations des neutrinos

Les neutrinos – tout comme les leptons chargés (électron, muon, tau), les quarks up (up, charm, true) et les quarks down (down, étrange, charm) – sont de trois types. Mais ils peuvent être divisés en types de différentes manières. De plus, en raison de la nature quantique de notre monde, un seul d’entre eux peut être utilisé à la fois. Dans cet article, j'expliquerai pourquoi cela se produit et comment ce fait conduit à un fait aussi intéressant et scientifiquement important que les oscillations des neutrinos.

On pourrait penser que chaque particule a une certaine masse - par exemple, l'énergie massique des électrons est de (E = mc 2) 0,000511 GeV - et d'un point de vue possible, les trois types de neutrinos ne font pas exception. On peut classer les trois neutrinos selon leurs masses (qui ne sont pas encore connues exactement), et les appeler, du plus léger au plus lourd, neutrino-1, neutrino-2 et neutrino-3. Nous appellerons cette division classification de masse, et ces types de neutrinos – types de masse.


Riz. 1

Une autre façon de classer les neutrinos consiste à les associer à des leptons chargés (électron, muon et tau). Ceci est mentionné dans l'article sur ce à quoi ressembleraient les particules si le champ de Higgs était nul. La meilleure façon de comprendre cela est de se concentrer sur la manière dont les neutrinos sont affectés par la faible force nucléaire, ce qui se reflète dans leurs interactions avec la particule W. La particule W est très lourde et si vous la produisez, elle peut se désintégrer (Figure 1). ) en l'un des trois antileptons chargés et l'un des trois neutrinos. Si W se désintègre en anti-tau, un neutrino tau apparaîtra. De même, si W se désintègre en antimuon, un neutrino muonique apparaîtra. (Critique à la création d'un faisceau de neutrinos, le pion se désintègre par de faibles interactions et les pions chargés positivement produisent un antimuon et un neutrino muonique). Et si W se désintègre en positron, un neutrino électronique apparaîtra. Appelons cela une classification faible, et ces neutrinos sont des neutrinos de type faible car ils sont déterminés par l'interaction faible.

Eh bien, quel est le problème ici ? Nous utilisons constamment différentes classifications pour les appliquer aux personnes. Nous parlons du fait que les gens sont jeunes, adultes et vieux ; ils sont grands, de taille moyenne et courts. Mais les gens peuvent être divisés à volonté, par exemple, en neuf catégories : jeunes et grands, jeunes et de taille moyenne, adultes et petits, âgés et petits, et ainsi de suite. Mais la mécanique quantique nous interdit de faire de même avec les classifications des neutrinos. Il n’existe pas de neutrinos qui soient à la fois des neutrinos du muon et des neutrinos-1 ; Il n’existe pas de neutrino tau-3. Si je vous dis la masse d'un neutrino (et donc s'il appartient au groupe des neutrinos 1, 2 ou 3), je ne peux tout simplement pas vous dire s'il s'agit d'un électron, d'un muon ou d'un neutrino tau. Un neutrino d’un certain type de masse est un mélange, ou « superposition », de trois neutrinos d’un type faible. Chaque neutrino de masse (neutrino 1, neutrino 2 et neutrino 3) est un mélange précis mais distinct de neutrinos électroniques, muoniques et tau.

L'inverse est également vrai. Si je vois un pion se désintégrer en antimuon et en neutrino, je saurai immédiatement que le neutrino résultant sera un neutrino de muon - mais je ne pourrai pas connaître sa masse, puisqu'il s'agira d'un mélange de neutrino 1 et de neutrino 2. et neutrino 3 . Un neutrino électronique et un neutrino tau sont également des mélanges précis mais différents de trois neutrinos de certaines masses.

La relation entre ces types massifs et faibles est plus similaire (mais pas exactement la même) à la relation entre les classifications des autoroutes américaines comme « nord-sud » et « ouest-est » (le gouvernement américain les divise de cette façon en leur attribuant nombres impairs aux autoroutes C/S et même aux routes simples W/E), et en les divisant en routes allant du « nord-est au sud-ouest » et du « sud-est au nord-ouest ». Il y a des avantages à utiliser l'une ou l'autre classification : la classification N/S – W/E convient si vous vous concentrez sur la latitude et la longitude, tandis que la classification NE/SW – SE/NW sera plus utile près de la côte, car elle va de du sud-ouest au nord-ouest. Mais les deux classifications ne peuvent pas être utilisées en même temps. La route allant vers le nord-est est en partie nord et en partie est ; On ne peut pas dire qu’elle est ceci ou cela. Et la route du nord est un mélange de nord-est et de nord-ouest. C’est la même chose avec les neutrinos : les neutrinos de type masse sont un mélange de neutrinos de type faible, et les neutrinos de type faible sont un mélange de neutrinos de masse. (L'analogie s'effondre si vous décidez d'utiliser la classification routière améliorée N/S - NE/SW - E/W - SE/NW ; une telle option n'existe pas pour les neutrinos).

L’incapacité de classer les neutrinos en un certain type de masse et un certain type faible est un exemple du principe d’incertitude, semblable à l’étrangeté qui interdit de connaître en même temps la position exacte et la vitesse exacte d’une particule. Si vous connaissez exactement l’une de ces propriétés, vous n’avez aucune idée de l’autre. Ou vous apprendrez peut-être quelque chose sur les deux propriétés, mais pas sur tout. La mécanique quantique vous explique exactement comment équilibrer vos connaissances et votre ignorance. Soit dit en passant, ces problèmes ne s’appliquent pas uniquement aux neutrinos. Ils sont également associés à d’autres particules, mais sont particulièrement importants dans le contexte du comportement des neutrinos.

Il y a quelques décennies, tout était plus simple. À cette époque, on croyait que les neutrinos n’avaient pas de masse, il suffisait donc d’utiliser une classification faible. Si vous regardez de vieux papiers ou de vieux livres destinés aux gens ordinaires, vous ne verrez que des noms tels que neutrino électronique, neutrino muonique et neutrino tau. Mais après les découvertes des années 1990, cela ne suffit plus.

Et maintenant, le plaisir commence. Disons que vous disposez de neutrinos de type électronique à haute énergie, c'est-à-dire un certain mélange de neutrino-1, neutrino-2 et neutrino-3. Les neutrinos se déplacent dans l’espace, mais leurs trois types de masse différents se déplacent à des vitesses légèrement différentes, très proches de la vitesse de la lumière. Pourquoi? Parce que la vitesse d’un objet dépend de son énergie et de sa masse, et que les trois types de masse ont trois masses différentes. La différence entre leurs vitesses est extrêmement faible pour n’importe quel neutrino que nous pouvons mesurer – cela n’a jamais été observé – mais son effet est étonnamment important !

Différence de vitesse des neutrinos - quelques formules

La vitesse d'une particule v dans la théorie de la relativité d'Einstein peut s'écrire à travers la masse de la particule m et l'énergie E (c'est l'énergie totale, c'est-à-dire l'énergie du mouvement plus l'énergie de la masse E=mc 2), et la vitesse de la lumière c, comme :

Si la particule a une vitesse très élevée et que son énergie totale E est bien supérieure à l'énergie de masse mc 2, alors

Rappelez-vous que la moitié en relief signifie « prendre la racine carrée ». Si la particule a une vitesse très élevée et que son énergie totale E est bien plus grande que sa masse-énergie mc2, alors

Où les points vous rappellent que cette formule n'est pas une formule exacte, mais une bonne approximation du grand E. En d'autres termes, la vitesse d'une particule se déplaçant presque à la vitesse de la lumière diffère de la vitesse de la lumière d'une valeur égale à la moitié de la vitesse de la lumière. carré du rapport entre l'énergie de masse de la particule et son énergie totale. De cette formule, il ressort clairement que si deux neutrinos ont des masses m 1 et m 2 différentes, mais la même énergie E élevée, alors leurs vitesses diffèrent très peu.

Voyons ce que cela signifie. Tous les neutrinos mesurés de la supernova qui a explosé en 1987 sont arrivés sur Terre dans un intervalle de 10 secondes. Disons qu'un neutrino électronique a été émis par une supernova d'une énergie de 10 MeV. Ce neutrino était un mélange de neutrino 1, neutrino 2 et neutrino 3, chacun se déplaçant à une vitesse légèrement différente ! Le remarquerions-nous ? Nous ne connaissons pas les masses exactes des neutrinos, mais supposons que le neutrino-2 a une énergie de masse de 0,01 eV et que le neutrino-1 a une énergie de masse de 0,001 eV. Alors leurs deux vitesses, étant donné que leurs énergies sont égales, différeront de la vitesse de la lumière et l’une de l’autre de moins d’une partie de cent mille milliards :

(l'erreur de toutes les équations ne dépasse pas 1%). Cette différence de vitesse signifie que les parties Neutrino-2 et Neutrino-1 du neutrino électronique d'origine arriveraient sur Terre à une milliseconde d'intervalle l'une de l'autre – une différence qui, pour diverses raisons techniques, est impossible à détecter.

Et maintenant nous passons des choses intéressantes aux choses vraiment étranges.

Cette infime différence de vitesse fait que le mélange précis de neutrino-1, neutrino-2 et neutrino-3 qui constitue le neutrino électronique change progressivement à mesure qu'il se déplace dans l'espace. Cela signifie que le neutrino électronique avec lequel nous avons commencé, au fil du temps, cesse d'être lui-même et correspond à un mélange spécifique de neutrino-1, neutrino-2 et neutrino-3. Différentes masses de neutrinos de trois types de masse transforment le neutrino électronique initial en cours de mouvement en un mélange de neutrinos électroniques, de neutrinos muoniques et de neutrinos tau. Les pourcentages du mélange dépendent de la différence de vitesses, et donc de l'énergie du neutrino initial, ainsi que de la différence de masses (plus précisément, de la différence des carrés des masses) du neutrino.

Riz. 2

Au début, l'effet augmente. Mais, chose intéressante, comme le montre la Fig. 2, cet effet ne se contente pas de croître constamment. Il croît, puis diminue à nouveau, puis croît à nouveau, diminue encore et encore, à mesure que le neutrino se déplace. C’est ce qu’on appelle les oscillations des neutrinos. La manière exacte dont ils se produisent dépend des masses des neutrinos et de la manière dont les neutrinos de masse et les neutrinos faibles y sont mélangés.

L'effet des oscillations peut être mesuré du fait qu'un neutrino électronique, lorsqu'il entre en collision avec un noyau (et c'est ainsi qu'un neutrino peut être détecté), peut se transformer en électron, mais pas en muon ou en tau, tandis qu'un muonique l'électrino peut se transformer en muon, mais pas en électron ou en tau. Ainsi, si nous commençons avec un faisceau de neutrinos muoniques et qu'après avoir parcouru une certaine distance, certains neutrinos entrent en collision avec des noyaux et se transforment en électrons, cela signifie que des oscillations se produisent dans le faisceau et que les neutrinos muoniques se transforment en neutrinos électroniques.

Un effet très important complique et enrichit cette histoire. Étant donné que la matière ordinaire est constituée d’électrons mais pas de muons ou de tau, les neutrinos électroniques interagissent avec elle différemment des muons ou du tau. Ces interactions, qui se produisent grâce à la force faible, sont extrêmement faibles. Mais si un neutrino traverse une grande épaisseur de matière (par exemple, une fraction notable de la Terre ou du Soleil), ces petits effets peuvent s'accumuler et affecter considérablement les oscillations. Heureusement, nous en savons suffisamment sur l’interaction nucléaire faible pour prédire ces effets en détail et calculer l’ensemble de la chaîne à rebours, depuis les mesures expérimentales jusqu’à l’élucidation des propriétés des neutrinos.

Tout cela se fait grâce à la mécanique quantique. Si cela n’est pas intuitif pour vous, détendez-vous ; Ce n'est pas intuitif pour moi non plus. J’ai eu toute l’intuition que j’avais des équations.

Il s’avère que mesurer soigneusement les oscillations des neutrinos est le moyen le plus rapide d’étudier les propriétés des neutrinos ! Ce travail a déjà reçu un prix Nobel. Toute cette histoire émerge de l’interaction classique entre expérience et théorie, qui s’étend des années 1960 à nos jours. Je mentionnerai les mesures les plus importantes prises.

Pour commencer, nous pouvons étudier les neutrinos électroniques produits au centre du Soleil, dans son four nucléaire bien étudié. Ces neutrinos traversent le Soleil et l'espace vide jusqu'à la Terre. Il a été découvert que lorsqu’ils arrivent sur Terre, ils sont tout aussi susceptibles d’être du type muon ou tau que du type neutrino électronique. Ceci en soi fournit une preuve de l’oscillation du neutrino, et la distribution précise nous donne des informations détaillées sur le neutrino.

Nous avons également des neutrinos muoniques, produits par la désintégration des pions produits dans les rayons cosmiques. Les rayons cosmiques sont des particules de haute énergie provenant de l’espace qui entrent en collision avec des noyaux atomiques dans la haute atmosphère. Les cascades de particules qui en résultent contiennent souvent des pions, dont beaucoup se désintègrent en neutrinos et antimuons muoniques, ou en antineutrinos muoniques et muons. Nous détectons certains de ces neutrinos (et antineutrinos) dans nos détecteurs, et nous pouvons mesurer combien d'entre eux sont des neutrinos électroniques (et antineutrinos) en fonction de la superficie de la Terre qu'ils ont traversée avant de toucher le détecteur. Cela nous donne encore une fois des informations importantes sur le comportement des neutrinos.

Ces neutrinos « solaires » et « atmosphériques » nous ont beaucoup appris sur les propriétés des neutrinos au cours des vingt dernières années (et le premier indice de quelque chose d’intéressant s’est produit il y a près de 50 ans). A ces sources d'énergie naturelles s'ajoutent diverses études réalisées à l'aide de faisceaux de neutrinos, comme ceux utilisés dans l'expérience OPERA, ainsi qu'à l'aide de neutrinos issus de réacteurs nucléaires conventionnels. Chacune des mesures est largement cohérente avec l'interprétation standard des neutrinos solaires et atmosphériques et permet des mesures plus précises des mélanges de neutrinos de type masse et de type faible et des différences dans les masses carrées des neutrinos de type masse.

Comme on pouvait s'y attendre, il existe de légères divergences avec les attentes théoriques dans les expériences, mais aucune n'a été confirmée et la plupart, sinon la totalité, ne sont que des hasards statistiques ou des problèmes au niveau expérimental. Jusqu’à présent, plusieurs expériences n’ont confirmé aucune contradiction dans la compréhension des neutrinos et de leur comportement. D’un autre côté, l’ensemble de cette image est assez nouvelle et mal testée, de sorte qu’il est tout à fait possible, bien que peu probable, qu’il puisse y avoir des interprétations complètement différentes. En effet, des alternatives assez sérieuses ont déjà été proposées. Ainsi, clarifier les détails des propriétés des neutrinos est un domaine de recherche en plein développement, dans lequel il existe pour la plupart un accord, mais certaines questions restent encore ouvertes - notamment une détermination complète et irrévocable des masses des neutrinos.

Le début du XXIe siècle a été une époque de découvertes sensationnelles dans le domaine de la physique des neutrinos. Les résultats obtenus à ce jour ouvrent la voie à de nouvelles études expérimentales et théoriques sur les propriétés des neutrinos dans deux directions principales :

1. Étudier les caractéristiques des neutrinos de très haute énergie en tant que seules particules capables de fournir à la science des informations sur les zones reculées de notre Univers.
2. L'étude des interconversions de neutrinos de différentes saveurs - ce qu'on appelle les « oscillations » des neutrinos.

Cet article est consacré à présenter les principaux résultats obtenus dans cette deuxième direction de recherche.
Les neutrinos appartiennent aux fermions fondamentaux (voir tableau).Toutes les particules indiquées dans le tableau ont un spin J/ћ. Douze fermions fondamentaux correspondent à 12 antifermions fondamentaux.

L'existence de trois types de neutrinos a été établie, différant par le nombre quantique « saveur ( saveur)". Ils correspondent à trois types d'antineutrinos. Les noms des différents neutrinos proviennent des noms de leurs « partenaires » chargés dans le groupe des leptons : lepton électron, muon et tau, dont les masses au repos sont respectivement de 0,511 MeV, 106 MeV et 1777 MeV.
En 1930, Wolfgang Pauli a suggéré que la nature continue du spectre des électrons de désintégration β peut s'expliquer par le fait qu'avec l'électron lors de la désintégration β, une particule sans charge avec un spin demi-entier est émise, qui n'est pas détectée. par des détecteurs classiques. L'étude des spectres β a montré que la masse de cette particule devrait être très petite, bien inférieure à la masse d'un électron. (Le nom de cette particule est neutrino=”neutron” appartient à E. Fermi et a été introduit en 1932 après la découverte du neutron).
La première confirmation expérimentale de l'existence des neutrinos a été obtenue en mesurant l'énergie cinétique du noyau de Li produite lors de la capture d'un électron par un noyau de béryllium :

7 Être + e - → 7 Li + ν e .

Parmi les nombreux problèmes associés à la physique des neutrinos, celui de la masse des neutrinos (antineutrinos) a retenu une attention particulière.
L'étude de la forme des spectres de désintégration β a permis d'affirmer que la masse des neutrinos est très petite, et l'estimation de cette valeur est devenue de plus en plus basse au fil des années. Des recherches ont été menées sur les désintégrations dans lesquelles l'énergie totale de l'électron et de l'antineutrino (ou du positron et du neutrino) est faible. Cette désintégration est la désintégration du tritium :

Comment la différence entre les propriétés des neutrinos et des antineutrinos est-elle prouvée ? Le Soleil (comme les autres étoiles) est une source d'électrons neutrino en raison de la réaction de fusion des deutons :

p + p → ré + e + + ν e .

Tout réacteur nucléaire est une puissante source d'énergie électronique antineutrino, résultant de désintégrations de neutrons :

n → p + e- + e.

Tentatives de R. Davis pour détecter les neutrinos d'un réacteur nucléaire à l'aide d'une réaction
e + 17 Cl → 17 Ar + e - n'ont pas réussi. Ainsi, il a été prouvé expérimentalement que les neutrinos et les antineutrinos sont des particules différentes.
Dans une large série d'expériences menées par R. Davis, l'intensité de la réaction ν e + 17 Cl → 17 Ar + e - initiée par un flux de neutrinos produit sur le Soleil a été étudiée. Les expériences de Davis, menées sur 30 ans, ont montré que l'ampleur du flux mesuré de neutrinos solaires est nettement inférieure à ce qu'elle devrait être selon le modèle du Soleil. Les mesures des flux de neutrinos électroniques en provenance du Soleil, effectuées dans d'autres installations, ont également invariablement montré leur déficience.
Une explication possible de ce phénomène est la transformation d'un type de neutrino en un autre - ce qu'on appelle. oscillations des neutrinos. L'idée des oscillations des neutrinos a été exprimée pour la première fois par B.M. Pontecorvo.
La différence entre les neutrinos (et les antineutrinos) de différentes saveurs se manifeste dans les réactions auxquelles participent les neutrinos. La différence dans les réactions provoquées par des leptons de saveurs différentes a conduit à l'introduction de trois nombres quantiques différents appelés « charges leptoniques » : L e, L μ, L τ. Les leptons de la première génération (voir tableau) ont une charge leptonique L e = 1, L μ = L τ = 0, la seconde L e = 0, L μ = 1, L τ = 0, troisième L e = L μ = 0, L τ =1. Les signes des charges leptoniques des antiparticules sont opposés à ceux des particules. Avant que les oscillations des neutrinos ne soient établies comme un fait expérimental, on croyait que ces nombres quantiques étaient conservés dans toutes les réactions. Par exemple, dans la désintégration π + → μ + + ν μ, un pion qui n'a pas de charge leptonique se désintègre en un muon positif avec L μ = –1 et un neutrino muonique ν μ avec L μ = +1. Ainsi, la charge du lepton est conservée lors de la désintégration. Dans les désintégrations du muon
μ + → e + + ν e + μ les charges des leptons sont également conservées. En effet, la charge leptonique d'un muon positif est égale à L μ = –1, ainsi que celle d'un antineutrino muonique. Les charges électroniques leptoniques du positron et du neutrino électronique sont égales en amplitude et opposées en signe. Ces faits ont conduit à la conclusion sur l’existence de lois de conservation exactes pour chacune des « sortes » de charges de leptons séparément. Une confirmation expérimentale de l'hypothèse sur la conservation exacte de chaque type de charge de lepton séparément a également été réalisée dans des accélérateurs lors d'expériences visant à rechercher la désintégration des muons en un électron (positon) et un quantum γ : μ - → e - + γ ,
μ + → e + + γ. Le fait que ces désintégrations n'aient pas été détectées s'explique par la manifestation de la loi de conservation des charges des leptons.
Cependant, l’observation des oscillations des neutrinos – c’est-à-dire Les transformations de neutrinos d'une saveur en neutrinos d'une autre saveur prouvent que ces lois de conservation peuvent être violées. Les oscillations des neutrinos - et leur existence a déjà été prouvée - entraînent une autre conséquence intéressante : les neutrinos répertoriés dans le tableau des fermions fondamentaux n'ont pas de masse strictement définie ! Les fonctions d'onde qui les caractérisent sont des superpositions des fonctions d'onde de particules ayant certaines masses, et les oscillations sont une manifestation de la nature ondulatoire quantique de ces particules. (Il convient de rappeler que la physique des particules a déjà rencontré un phénomène similaire dans les études sur les désintégrations des mésons K neutres). Considérons la physique quantique des oscillations des neutrinos à l'aide d'un exemple simplifié.

Physique quantique des oscillations des neutrinos

Si les nombres de leptons L e , L μ , L τ ne sont pas des nombres quantiques absolument conservés, et si les neutrinos n'ont pas zéro, mais des masses finies, il est alors possible que les neutrinos d’une « génération » se transforment en neutrinos d’une autre « génération ». Ce processus peut être décrit dans le cadre de la physique quantique comme des oscillations de neutrinos (voir par exemple).
Considérons le processus d'oscillations des neutrinos pour deux neutrinos : l'électron et le muon. (Une généralisation à trois types de neutrinos serait trop lourde.) Les fonctions d'onde des neutrinos électronique et muonique sont des fonctions du temps et obéissent à l'équation de Schrödinger :

La transition des états neutrinos ν 1 (t), ν 2 (t) à ν e (t), ν μ (t) et inversement est effectuée par une matrice unitaire, qui est commodément représentée en termes de cos θ et sin θ de l'angle θ, que l'on appellera plus loin « angle de mélange » :

	(4)
	(5)

Si l'angle de mélange est 0, il n'y a pas de mélange et ν 1 (t), ν 2 (t) coïncident avec ν e (t), ν μ (t). (Une situation similaire se produit à θ = π/2 - mais ν 1 (t), ν 2 (t) coïncident respectivement avec ν μ (t), ν e (t)).
Considérons la situation où, à l'instant initial, il n'y a qu'un seul type de neutrinos, par exemple, l'électron ν μ (t) = 0 ; ν e (t) = 1. Puis de (4) il résulte que ν 1 (0) = cos θ ; ν 2 (0) = péché θ.
D'après l'équation (3)

(Dans la transformation (7) les relations trigonométriques sont utilisées : )
De (7) on obtient l’intensité du flux de neutrinos électroniques en fonction du temps :

(Le calcul de la probabilité de détecter des neutrinos électroniques dans un faisceau constitué principalement de neutrinos de muons s'effectue exactement de la même manière et donne le même résultat.)
Ainsi, la probabilité des oscillations des neutrinos dépend de trois arguments :

1) de angle de mélange, associé à la valeur de l'interaction Hamiltonien H int ;

2) sur l'ampleur de la différence

(10)

3) sur le temps qui s'est écoulé depuis la naissance de l'un ou l'autre type de neutrino.

Considérons l'influence de chacun des arguments sur les oscillations des neutrinos :

1. Le mélange des fonctions d'onde des neutrinos est maximal à θ = π/4, puisque int ~ sin 2θ.

2. Pour dériver la formule (10), nous avons utilisé le fait que la masse du neutrino est bien inférieure à son énergie cinétique. La formule de l'énergie totale d'une particule E = (p 2 c 2 + m 2 c 4) 1/2 dans le système ћ = c = 1 ressemble à E = (p 2 + m 2) 1/2. Fourni m<< p

Condition<< p соответствует «почти релятивистской» кинематике нейтрино. При этом импульсы разных нейтрино совпадают и E 2 – E 1 = m 2 /2p

Si les masses coïncident, c'est à dire. à , pas d'oscillation.

3. La valeur détermine l'argument du deuxième des facteurs de la formule (9). Habituellement, cette valeur est présentée de manière à utiliser les valeurs de l'énergie des neutrinos (E ν) en MeV, les valeurs de Δm 2 en (eV) 2 et la distance à la source de neutrinos (L) - en mètres (m). Utiliser une constante de conversion

ћc = 197 MeV·fm ≡ 1,97·10 -7 eV·m = 1 ; 1 eV = 10 7 /1,97 m,

nous obtenons pour

(11)

Ainsi, si la différence entre les masses des neutrinos « primaires » est faible, des résultats notables dans l'étude des oscillations ne peuvent être obtenus que si la longueur L est grande. Ceci est particulièrement important si les énergies des neutrinos sont élevées.

Études expérimentales des oscillations des neutrinos

Actuellement, plusieurs complexes expérimentaux destinés à étudier les oscillations des neutrinos fonctionnent ou sont en cours de création.
Les premières indications d'oscillations de neutrinos ont été obtenues lors de mesures effectuées au détecteur à eau Cherenkov SuperKamiokande en 1998.
Le détecteur est un réservoir en acier inoxydable de 42 m de haut et 40 m de diamètre, rempli de 50 000 tonnes d'eau spécialement purifiée. Elle est située à une profondeur de 1,6 km (2,7 km équivalent eau) au Japon (Mine Kamioka). Sur les parois du réservoir se trouvent 11146 PMT (détecteur interne + 1885 PMT 8” (détecteur externe).
Le détecteur a permis de distinguer de manière fiable les neutrinos électroniques et muoniques.
L'une des tâches fixées par les chercheurs était de mesurer les flux de neutrinos atmosphériques.
Les neutrinos naissent dans l'atmosphère à la suite de l'interaction de protons de haute énergie émis par le Soleil avec les noyaux atmosphériques. Le résultat de ces réactions est principalement la production de mésons π chargés et neutres. La désintégration des mésons π chargés crée la chaîne de transformations suivante :

π + → μ + + ν μ ; π - → + μ ; μ + → e + + ν e + μ ;μ - → e - + e + ν μ .

(12)

Les mesures effectuées dans cette installation ont montré que le nombre de neutrinos muoniques détectés est comparable au nombre de neutrinos électroniques, bien qu'il résulte de (12) qu'il devrait y avoir deux fois plus de neutrinos muoniques. Le fait que l'anomalie observée soit une conséquence des oscillations est confirmé par la dépendance du flux de neutrinos muoniques au chemin parcouru. Pour les neutrinos incidents verticalement, ce trajet n'est que de 20 km, et pour les neutrinos entrant dans le détecteur par le bas depuis le dessous de la Terre, d'environ 13 000 km. Le flux venant d’en bas était bien inférieur à celui venant d’en haut.
Ces résultats, ainsi que les données de Davis, ont initié la création de complexes expérimentaux spéciaux pour étudier le problème des oscillations des neutrinos. (Dans le même complexe expérimental (K2K), l'enregistrement des neutrinos muoniques produits à la suite de réactions de protons produits à l'accélérateur KEK est en cours. La longueur du trajet des neutrinos muoniques de l'accélérateur KEK à SuperKamiokande est de 240 km.)
Des preuves encore plus convaincantes des oscillations des neutrinos ont été obtenues au télescope à neutrinos de Sudbury.

L'Observatoire des neutrinos de Sudbury (Canada) a été construit dans une mine à 2070 m de profondeur et contient un détecteur Tchérenkov à eau lourde SNO. 1000 tonnes d'eau lourde ultra pure (D 2 O) sont versées dans une cuve en acrylique d'un diamètre de 12 mètres. Le rayonnement Tchérenkov est détecté par 9 600 tubes photomultiplicateurs installés sur une sphère d'un diamètre de 17 mètres entourant un récipient contenant de l'eau lourde. Le détecteur est immergé dans de l'eau ordinaire ultra-pure, située dans une cavité en forme de tonneau d'un diamètre de 22 mètres et d'une hauteur de 34 mètres, creusée dans la roche. Au cours de la journée, le détecteur a enregistré environ 10 événements de neutrinos.

À Sudbury, des flux de neutrinos de bore produits sur le Soleil

La première réaction (CC), se produisant avec la participation de courants chargés, n'est sensible qu'aux neutrinos électroniques (ν e), la Seconde (NC), se produisant avec la participation de courants neutres, est sensible à tous les neutrinos (x – e, μ, τ). La diffusion élastique (ES) est sensible à toutes les saveurs de neutrinos, mais dans une moindre mesure aux saveurs de muons et de tau. Ainsi, si les neutrinos peuvent passer d'une saveur à une autre, le flux de neutrinos mesuré à l'aide de la réaction (CC) F CC (ν e) devrait être inférieur au flux mesuré à l'aide de la réaction (ES) F ES (ν x).
Lors de la première série de mesures, réalisée à l'aide de la réaction (SS), un déficit en neutrinos électroniques a été enregistré.
L'année suivante, les flux de neutrinos ont été estimés à l'aide de la réaction (NC).
Les données expérimentales obtenues à Sudbury ont permis d'estimer le flux de neutrinos solaires à l'aide de la réaction (13) et de prouver qu'il est cohérent avec le modèle standard du Soleil. Ainsi, le déficit de neutrinos électroniques enregistré par Davis est une conséquence des oscillations.
Outre la mesure des oscillations des neutrinos du muon atmosphérique, des expériences avec des neutrinos accélérateurs dits « lointains » sont prévues et sont déjà réalisées. Dans ces expériences, les neutrinos muoniques, formés à la suite de l'interaction de protons accélérés à plusieurs GeV avec une cible de convertisseur, ayant parcouru une longue distance sous terre, sont enregistrés par un détecteur. L'expérience MINOS (Fermilab (USA)) utilise deux détecteurs de neutrinos. L'un d'eux est situé à proximité de la cible du convertisseur, l'autre à une distance de 725 km. La comparaison du nombre de neutrinos muoniques qui devraient atteindre le détecteur « lointain » en l’absence d’oscillations avec le résultat mesuré prouve la présence d’oscillations.
Le résultat principal de toutes les expériences réalisées est preuve de l'existence d'oscillations et estimation des paramètres de mélange des neutrinos ν 1, ν 2, ν 3. Selon

(15)

Bien que les études des oscillations des neutrinos et des angles de mélange correspondant à ce phénomène aient déjà permis d'obtenir une bonne précision pour ν 1, ν 2 (15), les paramètres de mélange ν 2 , ν 3 sont beaucoup moins bien connus et des estimations fiables des paramètres de mélange des neutrinos ν 1, ν 3 n'ont pas encore été obtenues.
Les résultats des études sur les oscillations des neutrinos sont reflétés dans le schéma ci-dessous : les rectangles correspondent aux neutrinos ν 1, ν 2, ν 3 (de bas en haut) ; Des estimations approximatives des contributions des neutrinos de différentes saveurs sont présentées. A l'heure actuelle, seule la différence de masse ν 1, ν 2 a été établie avec une bonne précision : elle est d'environ 0,09 eV. De si petites différences dans les masses ν 1, ν 2, ainsi que des données expérimentales sur l'étude de la forme des spectres β, permettent d'estimer les masses des neutrinos m(ν 1), m(ν 2)<2 эВ.

Littérature:

1. R. Davis Jr. Un demi-siècle avec les neutrinos solaires. UFN 174 408 (2004)
2. D. Perkins - Introduction à la physique des hautes énergies, M., 1991
3. M. Koshiba. La naissance de l'astrophysique des neutrinos. UFN, 174 4183(2004)

La théorie des oscillations des neutrinos est apparue comme une solution possible au problème du déficit des neutrinos solaires. Le nœud du problème était que dans le Soleil, selon le modèle standard, les neutrinos résultent principalement de la réaction du cycle proton-proton :

p + p 2 H + e + + e + 0,42 MeV

(La probabilité relative d'une telle réaction est de 99,75%)

La principale source de neutrinos de haute énergie sur le Soleil sont les désintégrations des isotopes 8 B, qui surviennent dans la réaction 7 Be(p,) 8 B (une branche rare du cycle proton-proton) :

13 N 13 C + e + + e + 1,20 MeV

15 O 15 N + e + + e + 1,73 MeV

Il existe actuellement quatre séries de données expérimentales sur l'enregistrement de divers groupes de neutrinos solaires. Des expériences radiochimiques basées sur la réaction 37 Cl + e 37 Ar + e - sont menées depuis 30 ans. Selon la théorie, la principale contribution à cette réaction devrait être apportée par les neutrinos issus de la désintégration de 8 V. Des recherches sur la détection directe des neutrinos issus de la désintégration de 8 V avec des mesures de l'énergie et de la direction du mouvement des neutrinos ont été menées. dans l'expérience KAMIOKANDE depuis 1987. Des expériences radiochimiques sur la réaction 71 Ga + e 71 Ge + e - ont été menées au cours des cinq dernières années par deux groupes de scientifiques de plusieurs pays. Une caractéristique importante de cette réaction est sa sensibilité principalement à la première réaction du cycle proton-proton p + p 2 D + e + + e. La vitesse de cette réaction détermine en temps réel le taux de libération d’énergie dans le four à fusion solaire. Toutes les expériences montrent un déficit des flux de neutrinos solaires par rapport aux prédictions du modèle solaire standard.
Une solution possible au problème du déficit des neutrinos solaires réside dans les oscillations des neutrinos, c'est-à-dire la transformation des neutrinos électroniques en neutrinos du muon et du tau.
La première chose à laquelle il faut prêter attention lorsque l’on commence à discuter des propriétés des neutrinos est l’existence de leurs différentes variétés.
Comme vous le savez, à l'heure actuelle, nous pouvons certainement parler de trois de ces variétés :
ν e , ν μ , ν τ et, par conséquent, leurs antineutrinos. Lorsqu'il est échangé avec un boson W chargé, un neutrino électronique se transforme en électron et un neutrino muonique se transforme en muon (ν τ produit un lepton tau). Cette propriété a permis à une époque d'établir la différence de nature des neutrinos électroniques et muoniques. À savoir, les faisceaux de neutrinos formés dans les accélérateurs sont principalement constitués de produits de désintégration de mésons π chargés :

π + μ + + ν
π − μ − + ν

Si les neutrinos ne font pas de distinction entre les types de leptons, alors les neutrinos produits de cette manière sont tout aussi susceptibles de produire des électrons et des muons lorsqu'ils interagissent avec les noyaux de la matière. Si chaque lepton correspond à son propre type de neutrino, alors seuls les types de muons sont générés lors des désintégrations de pions. Le faisceau de neutrinos émis par l’accélérateur produira alors, dans l’écrasante majorité des cas, des muons et non des électrons. C’est précisément le phénomène qui a été enregistré expérimentalement.
Après avoir clarifié la différence entre les types de neutrinos, la question s'est posée : quelle est la profondeur de cette différence ? Si nous nous tournons vers l’analogie avec les quarks, nous devons prêter attention au fait que les interactions électrofaibles ne préservent pas le type (la saveur) des quarks. Par exemple, la chaîne de transitions suivante est possible :

ce qui conduit à un mélange d'états qui ne diffèrent que par leur étrangeté, par exemple les mésons K neutres K 0 et K 0 . Différents types de neutrinos peuvent-ils se mélanger de la même manière ? Pour répondre à cette question, il est important de connaître la masse des neutrinos. D'après les observations, nous savons que les neutrinos ont de très petites masses, nettement inférieures à celles des leptons correspondants. Donc, pour la masse des neutrinos électroniques, nous avons une limitation

moi)< 5.1 эВ,

tandis que la masse électronique est de 0,51099906 ± 0,00000015 MeV
Dans la grande majorité des cas, nous pouvons supposer que la masse des trois neutrinos est nulle. S'ils sont exactement égaux à zéro, il est impossible de constater les effets d'un éventuel mélange de différents types de neutrinos. Ce n’est que si les neutrinos ont des masses non nulles que le mélange acquiert une signification physique. Notez que nous ne connaissons aucune raison fondamentale conduisant à la stricte égalité des masses des neutrinos à zéro. Ainsi, la question de savoir s'il y a mélange de différents neutrinos est un problème qui doit être résolu par des méthodes physiques, principalement expérimentales. Pour la première fois, la possibilité de mélanger des neutrinos de types électrons et muons a été soulignée par B.M. Pontecorvo.

Mélange d'états de neutrinos

Considérons le problème de deux types de neutrinos : e, ν μ,. Pour les effets de mélange, considérez comment les états évoluent au fil du temps. L'évolution dans le temps est déterminée par l'équation de Schrödinger

À partir de maintenant, nous utilisons le système d’unités h = c = 1, couramment utilisé en physique des particules. Ce système est pratique car il n’a qu’une seule quantité dimensionnelle, par exemple l’énergie. Maintenant, l'élan et la masse ont les mêmes dimensions que l'énergie, et la coordonnée x et le temps t ont la dimension de l'énergie inverse. En appliquant cette relation au cas des neutrinos que nous considérons, lorsque leurs masses sont très inférieures à la quantité de mouvement, on obtient au lieu de (2) :

Sur la base de (5), nous comprenons l'équation (4) comme un système d'équations pour les fonctions (t), (t) :

Par souci de concision, un tel système est généralement écrit sous la forme (4), mais alors (t) est compris comme une colonne de , , et entre parenthèses le premier terme est proportionnel à la matrice d'identité, tandis que la valeur M 2 devient quelque ( Matrice 2 x 2) avec des éléments matriciels faciles à obtenir à partir du système (6). La valeur est ici très importante, la différence par rapport à zéro entraîne des effets de mélange. Si ce n’est pas le cas, le système se décompose en deux équations indépendantes et les neutrinos, électrons et muons, existent séparément avec leurs propres masses.
Donc, H 0. On cherchera ensuite des solutions au système (6) sous forme de combinaisons

1 (t) = cos e (t) + sin ν μ (t), 2 (t) = -sin e (t) + cos ν μ (t).

(7)

qui ont une certaine fréquence, c'est-à-dire qu'ils ont la forme (3). Pour d'autres raisons, il est important de noter qu'à petit 0 1, il s'agit d'un neutrino électronique presque pur et qu'à /2, il s'agit presque entièrement de muon. En additionnant la première des équations (6), multipliée par cos, avec la seconde, multipliée par sin, on obtient la condition que le côté gauche ne contienne également que 1 :

Événement m e > , soit =/4, correspond au mélange maximum et est réalisé presque exactement pour un système de mésons K neutres. Les états (7) ont certaines masses, que nous obtenons du système (6) :

(10)

Les signes en (10) correspondent au cas > m e. D’après (10) on voit qu’avec mélange nul = 0 on obtient m 1 = m e, m 2 = . En présence de mélange, un déplacement de masse se produit. Si nous le considérons comme très petit, alors

Imaginons qu'à l'instant initial t = 0, un neutrino électronique soit né. Puis à partir de (7) et (12) nous obtenons la dépendance temporelle de l'état considéré (nous omettons le facteur commun e -ikt)

(13)

Introduisons la notation m 2 = m 1 2 - m 2 2 . Nous voyons qu’à côté du neutrino électronique initialement présent, l’état du neutrino muonique apparaît également ici. La probabilité de son apparition, selon les règles de la mécanique quantique, est le carré du module d'amplitude, c'est-à-dire le coefficient à | ν μ >. Comme le montre (13), cela dépend du temps et revient à

W(t) = sin 2 2 sin 2 ((E 1 -E 2)t/2) = sin 2 2 sin 2 (m 2 t/4k) = sin 2 2 sin 2 (1,27 m 2 L/E),

(14)

où l'on mesure la distance L en mètres, l'énergie des neutrinos en mégaélectronvolts et la différence de masses carrées m2 en électronvolts carrés. Bien entendu, on prend en compte la petitesse des masses des neutrinos, donc L = ct. La composante muon a une dépendance oscillante caractéristique ; ce phénomène est appelé oscillations des neutrinos. Que faut-il observer comme effet des oscillations des neutrinos ? Nous savons que les neutrinos électroniques produisent un électron à la suite d'une réaction avec l'échange de W, et que les neutrinos muoniques produisent un muon. Par conséquent, un faisceau initialement constitué de neutrinos électroniques, lorsqu'il traverse un équipement d'enregistrement, produit non seulement des électrons, mais aussi des muons avec une probabilité dépendant de la distance au point de départ, décrite par la formule (14). En termes simples, nous devons rechercher la naissance de leptons « extraterrestres ».
Des expériences de recherche d'oscillations de neutrinos sont activement menées et, en règle générale, conduisent non pas à mesurer l'effet, mais à des restrictions sur les paramètres en (14) et m 2. Il est clair qu’il n’y a aucun effet si au moins un de ces paramètres est égal à zéro. Récemment, des indications sérieuses ont été rapportées sur l'existence d'oscillations de neutrinos dans des expériences menées à l'installation japonaise Super-Kamiokande. Ces expériences ont étudié le flux de neutrinos provenant des désintégrations de particules produites dans la haute atmosphère par des rayons cosmiques de haute énergie. Selon les angles d'inclinaison par rapport à l'horizon sous lesquels les neutrinos étudiés arrivent à l'instrument, ils parcourent des distances allant de plusieurs dizaines de kilomètres (directement par le haut) à plusieurs milliers de kilomètres (directement par le bas). Le résultat de mesures continues pendant un an et demi s'est avéré incompatible avec des calculs basés sur la théorie sans oscillations. Dans le même temps, l’introduction d’oscillations conduit à un excellent accord avec l’expérience. Dans ce cas, les transitions ν μ e sont nécessaires :

péché 2 > 0,82,
510 -4 < m 2 < 610 -2

c'est-à-dire que leurs valeurs sont explicitement requises. Jusqu’à présent, l’opinion publique scientifique n’est pas encore encline à accepter définitivement la découverte des oscillations des neutrinos et attend la confirmation du résultat. Les expériences se poursuivent, mais entre-temps, il s'est avéré que des informations encore plus riches peuvent être fournies en étudiant les oscillations des neutrinos, en tenant compte de leur interaction avec la matière.

Oscillations des neutrinos dans la matière

L'élucidation des possibilités associées aux effets de la propagation des neutrinos dans la matière est associée aux travaux de L. Wolfenstein et S.P. Mikheev et A.Yu. Smirnova.
Considérons à nouveau le cas de deux neutrinos : l'électron et le muon. La matière contient des protons et des neutrons dans les noyaux et les électrons. L'interaction des deux types de neutrinos avec les protons et les neutrons due à l'échange de W et Z se produit de la même manière et n'entraîne donc pas d'effets nouveaux par rapport à la propagation dans le vide. La situation est complètement différente avec la diffusion des neutrinos par les électrons. Un neutrino muonique ne peut interagir avec un électron que par l'échange d'un boson neutre Z, tandis que l'échange d'un boson chargé W contribue à la diffusion d'un neutrino électronique (et d'un antineutrino) sur un électron. En effet, par exemple, W - va en une paire e, donc la diffusion du processus suit le modèle

Lorsque les antineutrinos sont diffusés par un électron, ils fusionnent en W, et lorsque les neutrinos sont diffusés, W est échangé, dans lequel le neutrino initial donne un électron et W +, qui est absorbé par l'électron d'origine, donnant le neutrino final. Pour un neutrino muonique, de telles transitions sont impossibles.
Ainsi, le neutrino électronique a une interaction supplémentaire avec l’électron, qui est décrite par le terme supplémentaire dans la première ligne de (6) :

Ensuite, le système d'équations décrivant la dépendance de la fonction d'onde au temps change :

où = 2kV W, et cette quantité est associée à la diffusion des neutrinos électroniques sur les électrons due à l'échange de W. La théorie électrofaible donne une expression simple

,

(17)

Où G F = (1.16637 + 0,00002) . 10 -5 GeV -2 est la constante de Fermi connue, caractérisant les interactions faibles, et N e- la densité électronique dans la substance. Cette densité est proportionnelle au numéro atomique Z de l'élément et à la densité habituelle de la substance p, qui se reflète dans la forme numérique de la relation (17). Ensuite, la valeur peut être représentée sous la forme (A est le poids atomique de l'élément correspondant)

En considérant l'expression (16) pour les masses des états des neutrinos et (19) pour l'angle de mélange dans la matière, nous obtenons le phénomène le plus intéressant d'oscillation résonante des neutrinos dans la matière. Supposons que le mélange des neutrinos dans le vide soit très faible, c'est-à-dire sin 2< 1. Представим себе, что нейтрино с некоторым импульсом k (первоначально электронное) проходит через вещество с переменной плотностью, меняющейся монотонно, например убывающей. Если при этом в каком-то слое плотность такова, что выполняется равенство

1.526. 10 -7 Zk/A = m 2 cos 2,

(20)

alors la résonance est réalisée. En effet, pour sin 2 m<< 1 и нейтрино остается электронным. Однако при выполнении равенства (20) sin 2 m = 1, при дальнейшем уменьшении плотности sin 2 m вновь становится малым, но это значит, что 2 m становится близким к , а m - к /2. Из (7) видно, что это соответствует уже почти полностью нейтрино мюонному. Таким образом, при прохождении резонанса происходит смена сорта нейтрино, причем тем полнее, чем меньше вакуумный угол смешивания. Поэтому такая резонансная осцилляция является фактически единственной возможностью проявления малого смешивания нейтрино.
Le phénomène d'oscillation résonante se manifeste également clairement dans la dépendance des masses des neutrinos dans la matière à la densité (16). En effet, commençons par l'expression (16) avec un signe moins, qui, conformément aux équations (15), décrit le neutrino électronique initial (puisqu'il contient son interaction caractéristique avec les électrons V W). Laissez la densité changer en passant par la résonance. Alors le carré de la masse avant résonance sous un petit angle est égal à m e 2 + V W , et après résonance -. Lors du passage par résonance, le type de neutrino change complètement.
Il est à noter que si au lieu d'un neutrino on considère un antineutrino, alors la principale différence réside dans le signe du terme décrivant l'interaction avec l'échange W. Les signes de V W pour les neutrinos et les antineutrinos sont opposés. Cela signifie que la condition de résonance est atteinte en fonction du signe de m 2 soit uniquement pour les neutrinos, soit uniquement pour les antineutrinos. Par exemple, si un neutrino muonique est plus lourd qu’un neutrino électronique, alors la résonance ne peut être observée que pour l’état initial du neutrino électronique, mais pas pour l’antineutrino.
Ainsi, la propagation des faisceaux de neutrinos (et d’antineutrinos) dans la matière fournit de riches informations physiques. Si les paramètres principaux, c'est-à-dire m 2 et , sont connus, alors en faisant passer un faisceau de neutrinos à travers un certain objet, par exemple une planète, une étoile, etc., à partir de la composition du faisceau de neutrinos à la sortie, on peut obtenir une image de la répartition de la densité à l’intérieur de l’objet éclairé. Vous pouvez prêter attention à l'analogie étroite avec la transmission de petits objets (y compris vivants) par les rayons X.

Exemples de manifestations et d'applications possibles

Le phénomène des oscillations des neutrinos n'a pas encore été enregistré expérimentalement, mais il existe des indices de leur existence, et ils sont précisément associés à d'éventuels phénomènes de résonance. Le fait est que les méthodes d'enregistrement sont principalement sensibles aux neutrinos électroniques (antineutrinos), puisque les neutrinos du muon et surtout du tau avec des énergies de plusieurs mégaélectronvolts ne peuvent pas donner de réaction, par exemple

37Cl + 37Ar + e- .

qui est utilisé dans la méthode chlore-argon pour détecter les neutrinos. Cela est dû au fait que pour la naissance d'un muon, il faut dépenser une énergie supérieure à 100 MeV (et encore plus pour la naissance de tau). En même temps, une réaction similaire avec un neutrino électronique peut se produire. Les réactions nucléaires au Soleil étant à l’origine d’(anti-)neutrinos électroniques, la méthode utilisée semblait tout à fait adéquate. Cependant, si, entre le point de naissance et l'appareil, une oscillation se produit et que le neutrino se transforme, par exemple, en muon, alors la réaction ne se produit pas et le neutrino devient « stérile ». Cela pourrait expliquer le déficit de neutrinos solaires.
Au début, ils ont essayé d'utiliser les oscillations ordinaires (première section) dans l'espace entre le Soleil et la Terre pour expliquer. Le mélange de neutrinos muoniques est déterminé par l'angle de mélange. En nous référant à la formule (14), nous pouvons conclure que la fraction de ces neutrinos stériles sur Terre

où nous utilisons des crochets angulaires pour désigner la valeur moyenne. La moyenne est nécessaire car la distance L de la Terre au Soleil change considérablement pendant le processus de mesure en raison de son mouvement orbital. La valeur moyenne de la fonction sin 2x sur un grand intervalle est de 1/2, donc la fraction de neutrinos stériles est

Ainsi, il est généralement possible de supprimer de moitié le flux de neutrinos du Soleil, mais cela nécessite un mélange maximal sin 2 = 1. Les recherches d'oscillations montrent que pour une large gamme de masses de neutrinos, un mélange aussi important est exclu par l'expérience. De plus, cette explication donne la même suppression du flux de neutrinos pour toutes les énergies des neutrinos, tandis que les résultats expérimentaux indiquent une dépendance énergétique de l'effet.
Une explication plus adéquate s'avère être l'utilisation d'oscillations résonantes dans la matière du Soleil. Pour qu’une transition résonante des neutrinos vers un état stérile se produise, la condition (20) doit être remplie sur une certaine couche de matière solaire. Laissez l'angle de mélange être très petit, de sorte que cos soit 21. Prenons les valeurs des paramètres comme exemple

Z/A = 1,05, = 10 g/cm2, E = 1 MeV,

où le premier chiffre reflète le fait que le Soleil est principalement constitué d'hydrogène avec un mélange d'hélium et d'autres éléments. Alors la condition (20) donne la différence des masses carrées des neutrinos

C’est précisément cet ordre de masse des neutrinos qui est nécessaire pour utiliser le mécanisme de résonance des oscillations des neutrinos dans la matière afin d’expliquer le déficit des neutrinos solaires, y compris la dépendance énergétique de cet effet. La situation ici est la suivante : si les données expérimentales existantes reçoivent une confirmation définitive, alors aucune autre explication autre que l’oscillation résonante ne peut être proposée. Ce sera le résultat le plus important, ouvrant la voie à une meilleure compréhension de la structure du monde physique. De plus, nous disposerons d'une nouvelle méthode de numérisation aux rayons X des corps célestes, y compris notre Terre. En effet, sachant que les densités des roches terrestres sont de 3 à 6 g/cm 3 dans le manteau et de 9 à 12 g/cm 3 dans le noyau, nous sommes convaincus qu'avec la masse des neutrinos (22), les conditions de résonance sont atteintes. pour les neutrinos avec des énergies de l'ordre de plusieurs mégaélectronvolts. En formant de tels faisceaux et en menant un programme de transillumination de la Terre avec enregistrement de l'effet dans un réseau de stations de neutrinos, il est possible d'obtenir des tomogrammes de l'épaisseur de la Terre. À l'avenir, cela pourrait conduire à la fois à une clarification des détails de la structure de la Terre et à des résultats pratiques, par exemple dans le cadre de la recherche de minéraux en profondeur.

Le 15 juin 2011, l'expérience internationale T2K (Tokai-to-Kamioka) a annoncé la détection de 6 événements candidats aux neutrinos électroniques. Les données accumulées lors de l'expérience avec un faisceau de neutrinos muoniques ont été analysées de janvier 2010 jusqu'au tremblement de terre au Japon du 11 mars 2011. Pour la première fois, une indication expérimentale directe des oscillations des neutrinos muoniques en neutrinos électroniques a été obtenue.

Un peu sur les propriétés des neutrinos

Il existe trois types de neutrinos dans la nature - l'électron (ν e), le muon (ν μ) et le neutrino tau (ν τ), qui, étant des leptons neutres, sont associés aux leptons chargés correspondants (électron, muon et lepton tau). Chaque neutrino possède sa propre antiparticule : un antineutrino. Chaque type de neutrino possède son propre numéro de lepton, le même que celui de son partenaire, le lepton chargé. L'interaction faible, à laquelle participent les neutrinos, conserve le nombre de leptons. Par exemple, lorsqu’un muon se désintègre, il doit émettre un neutrino muonique. Dans le modèle standard, les neutrinos sont des particules sans masse qui, lorsqu'elles se propagent à la vitesse de la lumière, ne peuvent pas changer de saveur (type), c'est-à-dire qu'elles ne se mélangent pas, puisque les lois de conservation du nombre de leptons sont postulées pour chacun des trois. familles de leptons séparément.

La réalité s'est avérée plus compliquée. Il existe un effet mécanique quantique intéressant : les oscillations des particules. Les particules peuvent se transformer les unes dans les autres à la volée, si cela n'est pas interdit par les lois sur la conservation. En vol libre, ce n'est pas une particule d'un certain type qui « vit », mais un « état de masse » - une combinaison de deux particules se transformant l'une dans l'autre. Disons qu'à la naissance l'état de masse est représenté par une particule d'un type, puis après un certain temps il se transforme en un autre type, puis inversement, etc. La période de transformation est inversement proportionnelle à la différence des carrés des masses des particules ( c'est-à-dire qu'au moins l'un d'entre eux doit avoir une masse non nulle). La transition peut ne pas être complète, c'est-à-dire que seule une impureté de mécanique quantique de la deuxième particule apparaît, et la magnitude de l'impureté est déterminée par un paramètre appelé « angle de mélange » des particules. L'hypothèse des oscillations des neutrinos a été avancée pour la première fois par B. M. Pontecorvo en 1957.

Il s'est avéré que les neutrinos oscillent ! Cela signifie qu'ils ont une petite masse non nulle, un mélange et que les saveurs des neutrinos (nombre de leptons) ne sont pas conservées. Les neutrinos participant à des interactions faibles sont une combinaison linéaire de leurs propres états de masse ν 1, ν 2, ν 3, qui correspondent aux masses m 1, m 2, m 3. La physique des oscillations des neutrinos est décrite par une matrice unitaire, généralement paramétrée par trois angles de mélange θ 12, θ 23 et θ 13, une phase impaire CP δ et deux phases Majorana.

Les neutrinos participent à des interactions faibles telles que ν e, ν μ, ν τ, c'est-à-dire ayant une certaine saveur. Et pour voir l’effet du mélange, vous devez travailler avec des états de masse qui peuvent se manifester dans le processus de propagation des neutrinos sous forme de particules libres dans le vide. Le neutrino, qui était purement muonique au moment de sa naissance (t = 0), ne l'est plus après un intervalle de temps (t > 0), acquérant un certain mélange de neutrinos électroniques.

La mesure des oscillations peut être effectuée de deux manières. Une méthode consiste à mesurer le flux initial connu des neutrinos et à observer la diminution de ce flux par rapport à la valeur prédite en l'absence d'oscillations.

Cette méthode est appelée expérience « d’extinction ». Une autre méthode consiste à détecter les neutrinos à saveur β dans un faisceau de neutrinos initialement constitué uniquement de neutrinos à saveur α. Cette méthode est appelée expérience « d’émergence ».

Des expériences avec des neutrinos solaires, atmosphériques, de réacteurs et d'accélérateurs ont clairement établi que les neutrinos se mélangent. À partir d'expériences solaires et de réacteurs, la valeur θ 12 ~ 34° a été obtenue, et d'expériences avec des neutrinos atmosphériques et d'accélérateurs, il s'ensuit que θ 23 ~ 45°. Pour l'angle de mélange θ 13 dans l'expérience CHOOZ, une limite supérieure d'environ 12° a été obtenue. Contrairement aux quarks, les neutrinos ont de grands angles de mélange, ce qui était un résultat inattendu. Pour avoir une image complète des oscillations des neutrinos, il est nécessaire d'obtenir trois informations manquantes : 1) mesurer l'angle θ 13 ; 2) déterminer la phase impaire CP δ ; 3) découvrir quelle hiérarchie de masse (m 3 > m 2 ou m 2 > m 3) est réalisée dans la nature. La recherche des oscillations ν μ → ν e et la mesure de l'angle θ 13 sont actuellement l'un des problèmes clés de la physique des neutrinos. Ceci est lié à la fois à la compréhension de la nature des oscillations et à la recherche de violations de CP dans le secteur des leptons.

Expérience T2K

L'objectif principal de la première étape de l'expérience T2K est de rechercher les oscillations ν μ → ν e et de mesurer l'angle θ 13. L'étape suivante (dans le cas d'une valeur non nulle et non petite de θ 13) est une mesure avec un faisceau d'antineutrinos muoniques, une recherche de violation de CP et une mesure de la phase δ. La collaboration T2K comprend plus de 500 scientifiques et ingénieurs représentant 59 instituts de 12 pays. INR RAS participe depuis la Russie à l'expérience.

Les principaux éléments de l'installation T2K sont un canal neutrino, un complexe de détecteurs de neutrinos proches situés à une distance de 280 m de la cible et un détecteur de neutrinos lointains.

SuperKamiokande, situé sous le mont Ikenoyama. Depuis leur lieu de naissance jusqu'à leur enregistrement dans SuperKamiokande, les neutrinos parcourent une distance de 295 km à travers la Terre, comme le montre la figure 1.

L'expérience utilise un faisceau pur (le mélange de neutrinos électroniques dans le maximum du spectre est inférieur à 0,5 %) de neutrinos muoniques, dont l'énergie a un faible étalement et est réglée sur le premier maximum d'oscillation. Un tel faisceau est obtenu en utilisant la cinématique de la désintégration des pions produits lors de l'interaction de protons avec une cible en muons et neutrinos de muons et en choisissant la direction des neutrinos par rapport à la direction du faisceau de protons. Une expression approximative des transitions des neutrinos du muon en électrons est la suivante.

Pour un angle entre le faisceau de protons et la direction du détecteur lointain de 2,5 degrés, l'intensité maximale du spectre des neutrinos correspond à une énergie de 600 MeV, ce qui permet de s'accorder sur la sensibilité maximale aux oscillations des neutrinos, correspondant à la probabilité maximale dans la formule ci-dessus pour la base de vol sélectionnée de 295 km et les paramètres Dm 2 13 = 2,4·10 3 eV 2, sin 2 2q 23 ~ 1,0, obtenus à partir des oscillations « atmosphériques ».

Le détecteur de neutrinos proches (ND280) est utilisé pour mesurer le faisceau de neutrinos initial (avant les oscillations), pour surveiller en permanence ses paramètres et pour mesurer les sections efficaces des neutrinos dans la région d'énergie d'environ 1 GeV. Le ND280 se compose de deux détecteurs. Un seul détecteur situé sur l’axe du faisceau contrôle l’intensité, le profil et la direction du faisceau avec une précision meilleure que 1 mrad. Le deuxième détecteur (hors axe) est une installation complexe composée de plusieurs détecteurs (dont l'un, le détecteur de distance des muons (SMRD), a été développé et créé à l'INR RAS), qui permet de contrôler la direction du neutrino. faisceau et mesurez l’énergie des neutrinos avec une précision d’environ 15 MeV et mesurez les sections efficaces d’interaction des neutrinos à travers des courants chargés et neutres. Les principaux éléments du détecteur hors axe, situés à un angle de 2,5 degrés, sont représentés sur la figure 2. Pour mesurer l'impulsion et la charge des particules, un champ magnétique est utilisé, créé par un aimant auparavant utilisé au CERN. dans les expériences UA1 et NOMAD.

Le détecteur longue portée SuperKamiokande est un réservoir géant d'un diamètre de 39 m et d'une hauteur de 42 m, rempli d'eau propre. Le long des parois, du fond et du toit du détecteur, avec un pas de 70 cm, se trouvent environ 11 000 grands tubes photomultiplicateurs, qui enregistrent le rayonnement Tchérenkov des particules chargées résultant de l'interaction des neutrinos avec la matière du détecteur. Le détecteur enregistre les neutrinos dans la plage d'énergie de 4,5 MeV à 1 TeV. La taille, la direction et la forme du cône Tchérenkov sont utilisées pour identifier l'événement : un événement de type muon à anneau unique, un événement de type électron à anneau unique ou un événement à anneaux multiples. L'anneau semblable à un muon issu du rayonnement Tchérenkov du muon a une forme avec des arêtes vives et l'anneau issu de l'électron a une forme floue. La synchronisation temporelle avec le faisceau de protons est effectuée via le système de navigation GPS avec une précision d'environ 50 nanosecondes. Cette précision permet d'observer la structure temporelle des événements de neutrinos enregistrés et sa correspondance avec la structure temporelle du faisceau de protons, ce qui permet de supprimer le bruit de fond des neutrinos atmosphériques à un niveau négligeable. Les événements neutrinos ont été enregistrés dans un intervalle de ± 500 μs par rapport à l'heure prévue d'apparition des neutrinos du J-PARC.

La création d'un canal de neutrinos et d'un détecteur de neutrinos à proximité a débuté en avril 2004 et s'est achevée en 2009. La collecte de statistiques a débuté en janvier 2010. Pendant ce temps, 88 événements de neutrinos ont été enregistrés dans le volume actif du détecteur de 22,5 kt, dont l'énergie était supérieure à 30 MeV et a été entièrement mesurée dans le détecteur. Tous ces événements se sont produits dans l'intervalle de temps de –2 à 10 μs par rapport au déclenchement temporel synchronisé avec la structure du faisceau de protons, alors que le niveau de fond des neutrinos atmosphériques dans cet intervalle de temps n'était que de 0,003 événement. Après une analyse supplémentaire, 6 événements ont été identifiés comme des événements de type électronique résultant de l'interaction de neutrinos électroniques avec des énergies de 100 à 1250 MeV dans le détecteur par l'intermédiaire d'un courant chargé (c'est-à-dire avec la naissance d'un électron et la disparition d'un neutrino). . Un tel événement est illustré à la figure 3.

Le nombre attendu de tels événements, en supposant l'absence d'oscillations ν μ → ν e (pour θ 13 = 0), était de 1,5 ± 0,3. La principale contribution aux événements de fond provient des neutrinos électroniques contenus dans le faisceau initial de neutrinos muoniques, ainsi que de la contribution des pions neutres résultant de l'interaction des neutrinos muoniques à travers des courants neutres. La distribution d'énergie des événements de type électron enregistrés est illustrée à la figure 4.

La probabilité que 6 événements soient apparus à la suite de fluctuations d'événements de fond et ne soient pas le résultat d'oscillations est de 0,7 %. Ainsi, avec une probabilité de 99,3 %, ce résultat peut être interprété comme une indication des oscillations ν μ → ν e. La valeur centrale de sin 2 2θ 13 est de 0,11 pour la hiérarchie normale des masses des neutrinos (m 3 > m 2) et de 0,14 pour la hiérarchie inverse (m 3< m 2) в случае δ = 0.

T2K a collecté jusqu'au 11 mars 2011, date du tremblement de terre et du tsunami au Japon, environ 2 % des statistiques qui devaient être collectées pour toute la durée de l'expérience. Heureusement, le séisme n'a pas causé de dégâts mortels au complexe d'accélérateurs J-PARC, au canal neutrino et au détecteur ND280. Des travaux de restauration intensifs sont actuellement en cours et, parallèlement, certains éléments sont modernisés pour augmenter l'intensité du faisceau de protons. Nous prévoyons que la collecte de statistiques reprendra fin 2011 et qu'à la fin de la première phase de l'expérience, le nombre d'événements de neutrinos dans le Super Kamiokande augmentera d'environ 50 fois, ce qui améliorera considérablement la précision des données. paramètres d'oscillation déjà connus et mesurer l'angle θ 13 avec une bonne précision. L'expérience neutrinos MINOS (Laboratoire Fermi, USA) a présenté le 24 juin un nouveau résultat dans la recherche des oscillations ν μ → ν e. 62 événements ont été détectés et interprétés comme des neutrinos électroniques. Malgré le plus grand nombre d'événements, la précision du résultat est moindre, puisque le bruit de fond attendu est de 50 événements. Ce résultat est en accord avec notre résultat, même si la sensibilité obtenue dans MINOS nous permet seulement de conclure que la valeur θ 13 = 0 est exclue au niveau CL de 89 %. Dans un futur proche, devraient également apparaître les premiers résultats des expériences de DoubLeChooz (France), Reno (Corée), Daya Bay (Chine), qui mesurent l'angle θ 13 à l'aide d'antineutrinos de réacteurs.

La deuxième phase de l'expérience T2K vise à rechercher la violation de CP dans le secteur des leptons. A cet effet, des expériences seront réalisées avec un faisceau d'antineutrinos muoniques et des mesures d'oscillations d'antineutrinos muoniques en antineutrinos électroniques seront réalisées. Une comparaison des probabilités de telles oscillations pour les neutrinos et les antineutrinos fournira les premières informations sur la violation de l'invariance de CP dans le secteur des leptons.

Conclusion

Le résultat obtenu dans l’expérience T2K constitue sans aucun doute un événement important pour la physique des neutrinos. Le développement de la recherche sur les neutrinos des accélérateurs et des réacteurs dépend en grande partie des résultats de T2K. Avec les résultats d'autres expériences, T2K améliore considérablement notre compréhension des propriétés des neutrinos, et il est probable que nous soyons à l'aube d'une nouvelle étape passionnante dans la physique des neutrinos. Ces études peuvent éclairer le problème de la combinaison des quarks et des leptons, ainsi que le rôle des neutrinos dans l'émergence de l'asymétrie baryonique de l'Univers, c'est-à-dire être la clé pour percer l'un des mystères de la nature sur la prédominance de la matière. sur l'antimatière dans l'Univers. Comme cela s'est déjà produit à plusieurs reprises en physique des neutrinos, l'émergence de résultats nouveaux et très probablement tout à fait inattendus est possible.

Littérature:
1) Collaboration T2K, arXiv : 1106.2822
2) Collaboration T2K, arXiv :

Mardi 6 octobre, on a appris que le Japonais Takaaki Kajita et le Canadien Arthur MacDonald avaient reçu le prix Nobel de physique 2015 pour leur découverte des oscillations des neutrinos.

Il s'agit du quatrième « Nobel » de physique décerné pour des travaux sur l'étude de ces mystérieuses particules. Quel est le mystère des neutrinos, pourquoi ils sont si difficiles à détecter et quelles sont les oscillations des neutrinos, nous l'expliquerons dans cet article dans un langage simple et accessible.

La naissance d'un neutron

À la fin du XIXe siècle, le physicien français Henri Becquerel, en étudiant les relations entre luminescence et rayons X, découvre accidentellement la radioactivité. Il s'est avéré que l'un des sels d'uranium émet lui-même un rayonnement invisible et mystérieux qui n'est pas des rayons X. Ensuite, il s'est avéré que la radioactivité est inhérente précisément à l'uranium, et non aux composés dans lesquels il est inclus, après quoi la radioactivité d'autres éléments a été découverte, comme le thorium, le radium, etc.

Quelques années plus tard, le physicien britannique Ernest Rutherford décida de faire passer un rayonnement radioactif encore inexploré à travers un champ magnétique et découvrit qu'il pouvait être divisé en trois parties. Certains rayons étaient déviés dans un champ magnétique comme s'ils étaient composés de particules chargées positivement, d'autres comme s'ils étaient composés de particules négatives, et d'autres encore n'étaient pas déviés du tout.

En conséquence, il a été décidé d’appeler les premiers rayons alpha, les deuxièmes rayons bêta et les troisièmes rayons gamma. Par la suite, il s'est avéré que les rayons gamma sont un rayonnement électromagnétique à haute fréquence (ou un flux de photons à haute énergie), les rayons alpha sont un flux de noyaux d'atomes d'hélium, c'est-à-dire des particules composées de deux protons et de deux neutrons, et les rayons bêta les rayons sont un flux d'électrons, bien qu'il existe également des rayons bêta de positrons (cela dépend du type de désintégration bêta).

Si nous mesurons l'énergie des particules alpha et gamma résultant du type correspondant de désintégration radioactive, il s'avère qu'elle ne peut prendre que quelques valeurs discrètes. Cela concorde bien avec les lois de la mécanique quantique. Cependant, avec les électrons émis lors de la désintégration bêta, la situation était différente : leur spectre énergétique était continu. En d’autres termes, un électron peut transporter absolument n’importe quelle énergie, limitée uniquement par le type d’isotope en décomposition. De plus, dans la plupart des cas, il s’est avéré que l’énergie des électrons était inférieure à celle prédite par la théorie. De plus, l'énergie du noyau formé après la désintégration radioactive s'est également avérée inférieure aux prévisions.

Il s'est avéré que lors de la désintégration bêta, l'énergie a littéralement disparu, violant un principe physique fondamental - la loi de conservation de l'énergie. Certains scientifiques, parmi lesquels Niels Bohr lui-même, étaient déjà prêts à admettre que la loi pourrait ne pas fonctionner dans le microcosme, mais le physicien allemand Wolfgang Pauli a proposé de résoudre ce problème d'une manière simple et plutôt risquée : supposer que l'énergie manquante est emporté par une particule qui n'a pas de charge électrique, interagit extrêmement faiblement avec la matière et n'a donc pas encore été découverte.

Quelques années plus tard, cette hypothèse fut adoptée par le physicien italien Enrico Fermi pour une explication théorique de la désintégration bêta. À cette époque, le neutron avait déjà été découvert et les physiciens savaient que le noyau atomique était constitué de plus que de simples protons. On savait que les protons et les neutrons du noyau étaient maintenus ensemble par ce qu'on appelle l'interaction forte. Cependant, on ne sait toujours pas pourquoi, lors de la désintégration bêta, le noyau émet un électron qui n'est en principe pas là.

Fermi a suggéré que la désintégration bêta est similaire à l'émission d'un photon par un atome excité et qu'un électron apparaît dans le noyau précisément pendant le processus de désintégration. L'un des neutrons du noyau se désintègre en trois particules : un proton, un électron et cette même particule invisible prédite par Pauli, que Fermi en italien appelle un « neutrino », c'est-à-dire un « neutron » ou un petit neutron. Comme le neutron, le neutrino n’a pas de charge électrique et ne participe pas non plus à la forte interaction nucléaire.

La théorie de Fermi a été couronnée de succès. On a découvert qu'une autre interaction jusqu'alors inconnue, l'interaction nucléaire faible, est responsable de la désintégration bêta. C'est précisément l'interaction à laquelle, en plus de l'interaction gravitationnelle, participent les neutrinos. Mais comme l’intensité et le rayon de cette interaction sont si petits, le neutrino reste largement invisible pour la matière.

Vous pouvez imaginer un neutrino d’énergie pas trop élevée volant à travers une feuille de fer. Pour que cette particule soit retenue par la feuille avec une probabilité de cent pour cent, son épaisseur doit être d'environ 10^15 kilomètres. A titre de comparaison : la distance entre le Soleil et le centre de notre Galaxie n'est supérieure que d'un ordre de grandeur - environ 10 à 16 kilomètres.

Ce caractère insaisissable du neutrino rend très difficile son observation en pratique. Par conséquent, l’existence des neutrinos n’a été confirmée expérimentalement que 20 ans après la prédiction théorique, en 1953.

Trois générations de neutrinos

La désintégration bêta peut se produire de deux manières : avec l’émission d’un électron ou d’un positron. Un antineutrino est toujours émis avec un électron, et un neutrino est toujours émis avec un positron. Au milieu du XXe siècle, les physiciens étaient confrontés à la question suivante : existe-t-il une différence entre les neutrinos et les antineutrinos ? Par exemple, un photon est sa propre antiparticule. Mais l’électron n’est pas du tout identique à son antiparticule – le positron.

L'identité des neutrinos et des antineutrinos était indiquée par l'absence de charge électrique sur la particule. Cependant, grâce à des expériences minutieuses, il a été possible de découvrir que les neutrinos et les antineutrinos sont encore différents. Ensuite, pour distinguer les particules, il a fallu introduire leur propre signe de charge - le nombre de leptons. Par accord des scientifiques, les leptons (particules qui ne participent pas aux interactions fortes), qui comprennent les électrons et les neutrinos, se voient attribuer le numéro de lepton +1. Et les antileptons, parmi lesquels se trouvent les antineutrinos, se voient attribuer le numéro -1. Dans ce cas, le nombre de leptons doit toujours être conservé - cela explique le fait qu'un neutrino n'apparaît toujours que par paires avec un positron, et un antineutrino avec un électron. Ils semblent s'équilibrer, laissant inchangée la somme des nombres de leptons de chaque particule de l'ensemble du système.

Au milieu du XXe siècle, la physique des particules a connu un véritable essor : les scientifiques ont découvert de nouvelles particules les unes après les autres. Il s'est avéré qu'il y a plus de leptons qu'on ne le pensait - en plus de l'électron et du neutrino, le muon (électron lourd) a été découvert, ainsi que le neutrino du muon. Par la suite, les scientifiques ont découvert une troisième génération de leptons – des leptons tau et des neutrinos tau encore plus lourds. Il est devenu clair que tous les leptons et quarks forment trois générations de fermions fondamentaux (particules à spin semi-entier qui constituent la matière).

Pour distinguer trois générations de leptons, il a fallu introduire la charge dite de lepton de saveur. Chacune des trois générations de leptons (électron et neutrino, muon et neutrino du muon, lepton tau et neutrino tau) possède sa propre charge de lepton de saveur, et la somme des charges constitue le nombre total de leptons du système. Pendant longtemps, on a cru que la charge du lepton devait également toujours être conservée. Il s’est avéré que cela ne se produit pas dans le cas des neutrinos.

Neutrinos droit et gauche

Chaque particule élémentaire possède une caractéristique de mécanique quantique appelée spin. Le spin peut être considéré comme l’ampleur du mouvement de rotation d’une particule, bien que cette description soit très arbitraire. Le spin peut être dirigé dans une certaine direction par rapport à l'impulsion de la particule - parallèlement à celle-ci ou perpendiculairement à celle-ci. Dans le second cas, il est d’usage de parler de polarisation transversale de la particule, dans le premier cas, de polarisation longitudinale. Avec la polarisation longitudinale, on distingue également deux états : lorsque le spin est dirigé avec l'impulsion, et lorsqu'il est dirigé à l'opposé de lui. Dans le premier cas, la particule est dite polarisée à droite, dans le second, à gauche.

Pendant longtemps, la loi de conservation de la parité a été considérée comme incontestable en physique, selon laquelle une stricte symétrie miroir doit être observée dans la nature et les particules de polarisation à droite doivent être complètement équivalentes aux particules de polarisation à gauche. Selon cette loi, dans n’importe quel faisceau de neutrinos, on pourrait trouver le même nombre de particules polarisées vers la droite et vers la gauche.

La surprise des scientifiques n'a pas eu de limites lorsqu'il s'est avéré que la loi de parité pour les neutrinos n'était pas respectée : les neutrinos droitiers et les antineutrinos gauchers n'existent pas dans la nature. Tous les neutrinos ont une polarisation à gauche et les antineutrinos ont une polarisation à droite. C'est la preuve du fait étonnant que l'interaction nucléaire faible, responsable de la désintégration bêta, dans laquelle naissent les neutrinos, est chirale - avec la réflexion miroir, ses lois changent (nous en avons déjà parlé en détail séparément).

Du point de vue de la physique des particules élémentaires du milieu du XXe siècle, la situation de polarisation stricte indiquait que le neutrino est une particule sans masse, car sinon il faudrait admettre que la loi de conservation de la charge du lepton n'était pas respectée. Sur cette base, on a longtemps cru que les neutrinos n’avaient en réalité aucune masse. Mais nous savons aujourd’hui que ce n’est pas le cas.

Masse insaisissable

Les neutrinos se précipitent en grand nombre à travers l’épaisseur de la Terre et directement à travers notre corps. Ils naissent des réactions thermonucléaires du Soleil et d’autres étoiles, de l’atmosphère, des réacteurs nucléaires et même de nous-mêmes, à la suite de la désintégration radioactive de certains isotopes. Les neutrinos reliques nés après le Big Bang volent toujours à travers l’Univers. Mais leur interaction extrêmement faible avec la matière fait que nous ne les remarquons pas du tout.

Cependant, au fil des années d’étude des neutrinos, les physiciens ont appris à les enregistrer à l’aide de méthodes intelligentes. Et en observant le flux de neutrinos nés sur le Soleil, les scientifiques ont découvert un fait étrange : environ trois fois moins de ces particules arrivent du Soleil que ce que prédit la théorie. Ici, il est nécessaire de préciser que nous parlons exactement d’un seul type de neutrinos : les neutrinos électroniques.

Pour expliquer ce fait, ils ont tenté d'impliquer diverses hypothèses sur la structure interne du Soleil, capable de piéger les neutrinos manquants, mais ces tentatives ont échoué. Il ne restait à ce fait qu’une seule explication théorique : sur le chemin du Soleil à la Terre, les particules passent d’un type de neutrino à un autre. Une particule née sous forme de neutrino électronique subit des oscillations tout au long de son trajet, se manifestant avec une certaine périodicité sous la forme d'un neutrino de muon ou de tau. Par conséquent, non seulement les neutrinos électroniques, mais aussi les neutrinos du muon et du tau volent vers la Terre depuis le Soleil. L'hypothèse des oscillations des neutrinos a été avancée par le physicien soviéto-italien Bruno Pontecorvo en 1957. De telles transformations de neutrinos d'un type à un autre présupposaient une condition nécessaire : la présence d'une masse de neutrinos. Toutes les expériences réalisées avec les neutrinos ont montré que la masse de cette particule est négligeable, mais aucune preuve stricte n'a été obtenue qu'elle est égale à zéro. Cela signifie que la possibilité d’oscillations des neutrinos demeure réellement.

Découverte des oscillations

La confirmation de l'existence d'oscillations de neutrinos a été obtenue grâce à l'observation de neutrinos solaires et atmosphériques au centre expérimental de Superkamiokande au Japon et à l'Observatoire des neutrinos de Sudbury au Canada.

Les Japonais ont construit une structure impressionnante pour enregistrer les neutrinos - un immense réservoir (40 mètres sur 40) en acier inoxydable, rempli de 50 000 tonnes d'eau pure. Le réservoir était entouré de plus de 11 000 tubes photomultiplicateurs, censés enregistrer les plus petits éclairs de rayonnement Tchérenkov générés lorsque les électrons sont expulsés des atomes par un neutrino. Étant donné que les neutrinos interagissent extrêmement faiblement avec la matière, parmi les milliards de particules qui traversent le réservoir, seules quelques-unes sont enregistrées. Compte tenu également du fait que les chercheurs doivent trier ces événements à partir d’un vaste contexte (après tout, de nombreuses particules complètement différentes volent encore à travers l’immense réservoir), ils ont accompli un travail colossal.

Le détecteur japonais était capable de distinguer les neutrinos électroniques et muoniques par la nature du rayonnement qu'ils provoquaient. De plus, les scientifiques savaient que la plupart des neutrinos muoniques sont créés dans l’atmosphère lorsque des particules d’air entrent en collision avec des rayons cosmiques. Grâce à cela, ils ont découvert le schéma suivant : plus les faisceaux de neutrinos parcourent de longues distances, moins il y a de neutrinos de muons parmi eux. Cela signifiait qu’en cours de route, certains neutrinos muoniques se transformaient en d’autres neutrinos.

La preuve finale de l'existence des oscillations des neutrinos a été obtenue en 1993 lors d'une expérience à Sudbury. Essentiellement, l'installation canadienne était similaire à l'installation japonaise - un réservoir d'eau souterrain énorme et non moins impressionnant et de nombreux détecteurs de rayonnement Cherenkov. Cependant, elle était déjà capable de distinguer les trois types de neutrinos : les neutrinos électroniques, muoniques et tau. En conséquence, il a été constaté que le nombre total de neutrinos arrivant du Soleil ne change pas et est en bon accord avec la théorie, et que le manque de neutrinos électroniques est précisément causé par leur oscillation. De plus, selon les données statistiques, les neutrinos subissent davantage d'oscillations lorsqu'ils traversent la matière que dans le vide, puisqu'un plus grand nombre de neutrinos électroniques arrivent au détecteur pendant la journée que la nuit, lorsque les particules nées sur le Soleil devaient surmonter le toute l'épaisseur de la Terre.

Selon les connaissances actuelles, les oscillations des neutrinos sont la preuve que ces particules ont une masse, même si la valeur exacte de cette masse est encore inconnue. Les physiciens ne connaissent que sa limite supérieure : un neutrino est au moins mille fois plus léger qu'un électron. Déterminer la masse exacte des neutrinos est la prochaine grande tâche des physiciens travaillant dans ce sens, et il est possible que le prochain Nobel des neutrinos soit décerné pour cette réalisation.