Physique des particules

Physique des neutrinos

Les neutrinos sont des leptons neutres qui interagissent faiblement ; leurs oscillations entre trois saveurs révèlent une masse et un mélange, au-delà du modèle standard minimal.

Les neutrinos sont produits dans les désintégrations faibles, les réactions nucléaires et les processus astrophysiques. Neutres et soumis seulement à l'interaction faible (hors gravitation), ils traversent facilement la matière ; de grands détecteurs à faible bruit de fond sont nécessaires pour saisir leurs rares interactions.

|\nu_\alpha\rangle=\sum_{i=1}^{3}U_{\alpha i}^{*}|\nu_i\rangle,\qquad P_{\alpha\to\beta}(L,E)\sim\sin^2\!\left(1.27\,\frac{\Delta m^2 L}{E}\right)

Définition: Saveur et états de masse

Les neutrinos sont produits et détectés dans les états de saveur $\nu_e,\nu_\mu,\nu_\tau$ , mais se propagent dans les états de masse $\nu_i$ . La matrice PMNS $U$ relie ces bases. Les phases relatives s'accumulent en vol et font varier les probabilités avec $L/E$ ; la formule simplifiée ne décrit qu'un canal à deux états.

Observez l'évolution schématique de trois composantes de saveur pendant la propagation ; cette approximation illustrative n'est pas une prédiction précise à trois saveurs.

Oscillations et masse

Les oscillations ont été observées avec des neutrinos solaires, atmosphériques, de réacteur et d'accélérateur. Elles établissent qu'au moins deux différences de masses au carré sont non nulles, sans déterminer seules l'échelle absolue ni l'ordre complet des masses. Les masses sont minuscules et leur origine reste inconnue.

Exemple: Estimer une phase d'oscillation

Dans l'approximation à deux saveurs, prenez $\Delta m^2=2.5\times10^{-3}$ eV $^2$ , $L=500$ km et $E=1$ GeV. Calculez la phase $1.27\Delta m^2L/E$ .

Solution

$1.27\times2.5\times10^{-3}\times500/1\approx1,59$ rad. La probabilité dépend aussi de l'angle de mélange et du canal ; c'est l'argument du terme sinus au carré.

Avec deux états de masse, un état de saveur initial est une superposition quantique de $\nu_1$ et $\nu_2$ . Après une distance $L$ , chaque composante accumule une phase d'environ $m_i^2L/(2E)$ ; leur différence dépend de $\Delta m^2L/(2E)$ . Si les masses sont égales, cette différence s'annule et il n'y a pas d'oscillation de saveur. Dans la matière, l'interaction avec les électrons modifie la phase effective et produit l'effet MSW pour les neutrinos solaires.

Dans l'approximation à deux saveurs, la probabilité de conversion s'écrit, avec les unités usuelles, $P(\nu_\alpha\to\nu_\beta)=\sin^2(2\theta)\sin^2(1.27\Delta m^2L/E)$ . L'angle de mélange $\theta$ fixe l'amplitude, et les maxima dépendent de $L/E$ . Les analyses réelles incluent trois saveurs, les effets de matière et la résolution en énergie ; une courbe simplifiée ne détermine donc pas tous les paramètres.

Que révèlent les oscillations observées sur les états de masse des neutrinos ?

Pourquoi les expériences sur les neutrinos nécessitent-elles souvent de très grands détecteurs ?

Références

Kai Zuber (2020). Neutrino Physics