Les neutrinos sont des particules élémentaires qui trouvent leur place à côté des électrons, protons et neutrons formant la matière ordinaire. Ils n’interagissent pratiquement pas avec le reste de la matière.
Depuis l’audacieuse hypothèse de leur existence en 1930 et aujourd’hui, leur connaissance a fortement progressé. On comprend pourquoi ces particules semblent vivre dans un monde parallèle, et le lancinant problème de leur masse a été résolu, leur octroyant un rôle primordial au niveau de l’Univers global.
Les neutrinos sont d’utiles outils pour comprendre le monde. Particules pratiquement invisibles, ils permettent de capter une information venant de phénomènes très cachés. Ils révèlent les détails des processus intervenant au cœur du Soleil, ils espionnent le combustible à l’intérieur des réacteurs nucléaires.
Trois prix Nobel pour une conférence
Des physiciens français ont pris l’initiative d’organiser, avec des historiens des sciences, une conférence internationale retraçant l’histoire des recherches liées aux neutrinos depuis près d’un siècle, du 5 au 7 septembre 2018 à Paris.
L’objet de la conférence est de couvrir les principales étapes de leur histoire depuis la brillante idée de Wolfgang Pauli en 1930. L’objectif sur chaque thème est d’avoir une approche épistémologique et de se reporter aux articles originaux dans leur contexte scientifique et historique.
Sous le patronage de trois prix Nobel, la conférence permettra de contextualiser les processus théoriques et expérimentaux qui ont conduit à ces récompenses.
A propos des neutrinos
L’histoire du neutrino est riche, variée et semée de rebondissements. « Inventés » par Wolfgang Pauli en décembre 1930 pour résoudre le problème du spectre des électrons dans la désintégration beta, nommés « neutrinos » (petits neutres en italien) par Enrico Fermi en 1933 et inclus aussitôt dans la théorie de l’interaction faible, ils n’ont été découverts qu’en 1956 par Fred Reines (prix Nobel 1995) et Clyde Cowan auprès du réacteur de Savannah River (Hans Bethe avait dit en 1934 qu’on ne les observerait jamais…). Une de leurs particularités essentielles est leur très faible probabilité d’interaction : ils peuvent traverser la matière sans interagir ou presque, ce qui leur permet par exemple de donner des informations sur ce qui se passe au cœur des étoiles ou de sonder les noyaux ; la contrepartie est que pour les observer, il faut à la fois beaucoup de neutrinos et des détecteurs très massifs. Il y a trois familles de neutrinos associés respectivement à l’électron, au muon et au tau. La seconde famille a été découverte en 1962 (prix Nobel 1988 pour Leon Lederman, Melvin Schwartz et Jack Steinberger), la troisième en 2000.
Les neutrinos sont témoins de la fusion nucléaire de l’hydrogène au cœur du Soleil et la saga des neutrinos solaires a duré plusieurs décennies, récompensée par le prix Nobel au pionnier Ray Davis en 2002 et au leader de la solution du problème, Art McDonald, en 2015. Ils sont également témoins et acteurs des explosions de supernovas (étoiles en fin de vie) et ont magistralement signé la supernova SN1987A en février 1987 (prix Nobel à Masatoshi Koshiba en 2002). Ils ont récemment donné des informations cruciales sur la radioactivité de la croûte et du manteau terrestre (géoneutrinos).
Facétieux jusqu’au bout, ils ont la possibilité de se transformer d’une espèce dans une autre par le mécanisme d’oscillation, qui a permis de résoudre le problème des neutrinos solaires ainsi que l’anomalie des neutrinos atmosphériques (produits par l’interaction des rayons cosmiques dans l’atmosphère terrestre) (prix Nobel 2015 pour Takaaki Kajita).
Les neutrinos ont un statut singulier en physique des particules où des faisceaux de neutrinos ont permis de sonder la matière jusqu’à l’intérieur des protons, de conforter la théorie dite « électrofaible » (qui regroupe l’interaction électromagnétique et l’interaction faible) et où on ne sait toujours pas s’ils sont ou non leur propre antiparticule. Cette faculté d’osciller implique que les neutrinos ont une masse, bien que très faible, et cette propriété ouvre une porte vers des théories au-delà du Modèle standard de la physique des particules.
Des détecteurs sous-marins ou dans la glace de l’Antarctique commencent à capturer les premiers neutrinos de très haute énergie produits dans les noyaux actifs de galaxie ou les blazars, complétant habilement l’astronomie des rayons gamma. Last but not least, les neutrinos issus du big bang, produits une seconde seulement après le « début » de l’Univers, sont avec les photons du fond diffus cosmologique les particules les plus nombreuses de l’Univers.
Toute cette histoire, toutes ces histoires méritent bien de faire le point, en partant dans chaque domaine des premières idées, de suivre leur cheminement à travers les difficultés expérimentales ou théoriques, jusqu’à une découverte fondamentale, ou parfois jusqu’à une impasse.