Physique des neutrinos

La physique des neutrinos étudie ces leptons insaisissables et faiblement interactifs, dont les oscillations de saveur fournissent la première preuve expérimentale d'une physique au-delà du Modèle Standard original.

Definition

La physique des neutrinos est l'étude des neutrinos, ces leptons électriquement neutres qui n'interagissent que par la force faible et la gravité, incluant leurs oscillations de saveur, les preuves que ces oscillations apportent quant à une masse non nulle des neutrinos, et le mélange des états de saveur et de masse des neutrinos.

Scope

Ce domaine couvre les trois saveurs de neutrinos, leurs interactions extrêmement faibles, et le phénomène d'oscillation des neutrinos, par lequel les neutrinos changent de saveur au cours de leur propagation, ce qui implique qu'ils possèdent des masses faibles mais non nulles. Il aborde les expériences sur les neutrinos solaires, atmosphériques, de réacteur et d'accélérateur, les paramètres de mélange du secteur leptonique, ainsi que des questions ouvertes telles que l'échelle de masse absolue et la question de savoir si les neutrinos sont leurs propres antiparticules.

Core questions

• Comment les neutrinos changent-ils de saveur au cours de leur propagation, et qu'est-ce que cela révèle sur leurs masses ?
• Quelle est l'échelle absolue et l'ordonnancement des masses des neutrinos ?
• Les neutrinos sont-ils des particules de Dirac ou de Majorana, c'est-à-dire sont-ils leurs propres antiparticules ?
• Pourquoi les masses des neutrinos sont-elles tellement plus petites que celles des autres fermions ?

Key concepts

• Neutrinos électroniques, muoniques et tauiques
• Couplage uniquement par interaction faible
• Oscillation des neutrinos et changement de saveur
• États propres de masse versus états propres de saveur
• Neutrinos solaires et atmosphériques
• Neutrinos de Dirac versus neutrinos de Majorana

Key theories

Oscillation de saveur des neutrinos

Les états de saveur des neutrinos étant des superpositions quantiques d'états de masse distincts, un neutrino créé dans une saveur peut être détecté ultérieurement sous une autre, un effet d'interférence qui exige que les états de masse soient différents et donc non nuls.

Matrice de mélange des leptons

Le désaccord entre les états propres de saveur et de masse des neutrinos est paramétré par la matrice de mélange de Pontecorvo-Maki-Nagakawa-Sakata, l'analogue leptonique de la matrice de mélange des quarks, avec des angles de mélange mesurés par les expériences d'oscillation.

Clinical relevance

L'oscillation des neutrinos, établie par les expériences Super-Kamiokande et SNO et récompensée par le prix Nobel en 2015, constitue la première preuve claire d'une physique au-delà du Modèle Standard minimal. Par ailleurs, les neutrinos servent de sondes pour l'étude du Soleil, des supernovae et de l'univers primordial, et pourraient contribuer à expliquer l'excès cosmique de matière par rapport à l'antimatière.

History

Le neutrino a été postulé par Pauli en 1930 pour sauvegarder la conservation de l'énergie lors de la désintégration bêta, et a été détecté pour la première fois par Reines et Cowan en 1956. Le déficit de neutrinos solaires, observé de longue date par Davis, a été résolu lorsque Super-Kamiokande a rapporté l'oscillation des neutrinos atmosphériques en 1998 et que SNO a démontré le changement de saveur des neutrinos solaires en 2002, établissant ainsi que les neutrinos possèdent une masse et remettant en question l'hypothèse originale du Modèle Standard selon laquelle les neutrinos seraient sans masse.

Debates

Nature de Dirac versus nature de Majorana des neutrinos

La question de savoir si les neutrinos sont distincts de leurs antiparticules (Dirac) ou identiques à celles-ci (Majorana) reste non résolue ; la découverte de la double désintégration bêta sans neutrino établirait le cas de Majorana, mais aucun signal de ce type n'a été confirmé.

Key figures

• Wolfgang Pauli
• Bruno Pontecorvo
• Raymond Davis Jr.
• Takaaki Kajita

Seminal works

• superk1998
• sno2002

Frequently asked questions

Pourquoi les neutrinos sont-ils si difficiles à détecter ?

Les neutrinos n'interagissent que par la force faible, ils traversent donc d'énormes quantités de matière sans interagir. Leur détection nécessite des détecteurs très grands, bien blindés et des sources de neutrinos intenses.

Les oscillations de neutrinos prouvent-elles que les neutrinos ont une masse ?

Oui. L'oscillation entre les saveurs ne peut se produire que si les états de masse des neutrinos ont des masses différentes et non nulles ; l'observation de l'oscillation établit donc qu'au moins deux masses de neutrinos sont non nulles.