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8/2/2019 Univers Des Neutrinos 2006
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LL Univers des NeutrinosUnivers des Neutrinos
ouou
Les Neutrinos de lLes Neutrinos de lUniversUnivers
Gaston WilquetGaston Wilquet juin 2006 juin 2006
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Physique des particules (Physique des particules (llmentaires)mentaires)ou bienou bienPhysique des hautesPhysique des hautesnergies ?nergies ?
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Physique des particules (Physique des particules (llmentaires) ou bienmentaires) ou bienphysique des hautesphysique des hautesnergies ?nergies ?
Les instruments:
- les dtecteurs: voir les particules, c..d. dtecter leurs effets
- les acclrateurs: acclrer des faisceaux de particules des nergde plus en plus leves hautes nergies.
Pourquoi ? Deux grandes thories de la physique moderne Relativit restreinte: grandes vitesses
quivalence masse - nergieEinstein E = mc2 (c = 300 000 km/s)
Mcanique quantique : petites dimensionsquivalence onde - corpuscule
de Broglie E = hc/
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Relativit : grandes vitesses : quivalence masse - nergie
E = mc2 E =m0c
2
+ T nergie nergiede massecintiqueau repos
. Electron de 10-30 kg acclr 0,9999999999875 fois la vitesse de la lumire(300 000 km/ s) sur une cible:nergie de masse : 0,8 10-13Joules 1030 fois moins que la boule, maisnergie cintique : 1,6 10-8 Joules 200 000 fois plus grande que sa masse
Aprs la collision lectron/cible : nombreuses particules massives produite
. Boule de bowling de 5kg lance 10 km/h :
nergie de masse : 5 1017Joulesnergie cintique : 250 Joules drisoire par rapport la masse
Aprs la collision boule/quilles : boule et quilles
Henry VIII
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Collision entre particules : production de particules massives
pas des dbris conversion dnergie en masse
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Mcanique quantique : petites dimensionsquivalence onde - corpuscule
E = hc / : longueur donde
Grande nergie Petite longueur donde Grande rsolution
Avec une longueur d onde on peut observer des dtails de dimension
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Mcanique quantique : petites dimensionsquivalence onde - corpuscule
E = hc / : longueur dondeGrande nergie Petite longueur donde Grande rsolution
Les photons, particules de lumire ou les ondes lectromagntiqueOndes|Micro| Infra |Visible|Ultra |Rayon X|Rayonsradio |onde | rouge| | violet| |
| | | | | |10 0.1 6.10-4 4.10-4 10-5 10-9(mm)
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MicroscopeMicroscopelectroniquelectronique:avec les ondes associes aux faisceaux dlectrons on voit des dtails 10 000 fplus petits quavec la lumire visible, de la taille des atomes, 10-10mm.
molcules
de collode
structurecristalline
50 atomes de fer
Avec une longueur d onde on peut observer des dtails de dimension
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Les protons et les neutrons des noyaux des atomes sontencore 100 000 fois plus petits que les atomes:10-15m ou 1 millionime de milliardime de mtre.
Avec des ondes - particules acclres trs haute nergie
Longueur donde au moins dix fois plus petite quela taille des nuclons (protons et neutrons) :10-16m ou 1 dix millionime de milliardime de mtre.
AccAccllrateurs de particulesrateurs de particules:
Comment tudier la structure des protons et des neutrons?
Diamtre : 9km
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1911Ernest Rutherfordinvente le principephysique des particules = physique de hautes nergi
Seule source de particules rapides disponible :les noyaux radioactifs
Bombardement de feuilles daluminiumavec des particules:
Les atomes ont un noyau
- rayon de latome ~ 10-10
m- rayon du noyau ~ 10-15m- noyau contient 99.98% de la masse.
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La matiLa matirereetet
les forcesles forces
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Vue optique la plus lointaineque l'homme a de l'univers
ADNcentaines de millions datomes
NGC 5194
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L atome dlectrons enorbite autour dun noyau
La molcule estfaites datomes
O
H H
Le noyau est fait de nuclons :protons et neutrons
R ~ 10-10m
R semblable auxatomes.
Force lectromagntiqueud
d
Les nuclons sont faitde quarks u et d
R semblable auxnuclons
R ~ 10-15m
Force (nuclaire) forte
u
Les quarks sans structure la limite de nos connaissances
R < 10-18m
Force (nuclaire) faible : dsintgration
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2m m F
r
Force gravitationnelle
Dominante aux grandeschelles
Sans objet aux petiteschelles
Amas de galaxies
JupiterEuropa
Galaxie NGC5194 SoleilVenus
Terre et homme
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-1
-
e3
2 quarks
u quark u
d q
2 leptons
e lectron
neua utrino-erk d
Les particules lmentaires composant la matire ordinaire
matire ordinaire radioactive
2 23 3
2 13 3
1 13 3
proton neutron
u u
u d d d
u
ud
u
dd
Les quarks ne sont pas libres; ils sont li
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Les 4 forces qui structurent laLes 4 forces qui structurent lamatimatirere toutes les dimensionstoutes les dimensions
gravitation: [masse] infinie 10-40Newton lie les plantes (et nous dessus), les toiles,Einstein les galaxies
la seule que nous ressentons continuellement
faible:: [charge faible][charge faible] 10-18 10-5Fermi responsable de la radioactivit
porte intensit(m) relative forte [charge de couleur][charge de couleur] 10-15 1
lie les quarks dans les nuclonslie les nuclons dans les noyaux des atomes
udd
lectromagntique[charge lectrique] infinie 10-2Maxwell lie les lectrons aux noyaux dans les atomes
lie les atomes en molcules ou en cristaux2
F q q F
q qd
=
signe de
signe de
2 0toujoursm m
F d
>
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Leurs composants:Leurs composants:
les quarksles quarks
Le bestiaire des particulesLe bestiaire des particulessemblablessemblables
aux protons et neutronsaux protons et neutrons..
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De plus en plus complexe, de plus en plusDe plus en plus complexe, de plus en plusllmentairementaire
Les atomes, les atomos indivisibles des grecsla plus petite particule capable de liaison chimique
1911: Ernest Rutherfordinvente le principephysique des particules = physique de hautes nergiesLes atomes ont un noyau100 000 fois plus petit et contenantpratiquement toute la masse.
1932:James Chadwickdcouvrele neutron, le frre neutre du protonLes noyaux sont constitus de nuclons: protons et neutrons
Le tableau empirique des lments de Mendeleev sexplique
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Tableau empiriquede Mendeleev
Tableau priodique des lments
Le noyau est constitu de protonschargs positivement et de neutronsneutres.
Latome est neutre: il y a autantdlectrons ngatifs que de protons.
Les proprits chimiques sont liesaux lectrons.
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Ds les annes 1940: plaques photographiques exposes au
rayonnement cosmique (haute montagne, ballons stratosphriques) dcouverte de particules interagissant fortement avec
la matire : comparables au proton et au neutron hautement instables (10-8 - 10-12s)
1953: premier acclrateurde particules BrookhavenLa faune des particules explose
msons, , , , ,K,f , a 1, a2, , , , D, B, D S...baryons p ,n, , , , , , c, c
1947: +
K0
Rochester& Butler
Occhialini et col
++
e+
K0
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La nature est-elle si complique?
1960 :Feynman, Gell-Mann, Zweig,les nouveaux Mendeleev:comme si les particules taient composes dequarks
1959 :Allistair et HostdadterLe proton a une dimension finie (10-15m)
Three quarks for Mr. Mark James Joyce
1969 : exprience deFriedman, Kendall et Tayloretcollaborateurs
Le proton est compos dequarkslis par la force forte
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Les hadrons et les familles de quarks aujourdLes hadrons et les familles de quarks aujourdhuihui
22 2 2 2 233 3 3 3 3
11 1 1 1 133 3 3 3 3
les quarks les antiquarks
charmup top
strangedown bottom
-- -
cu t u c t
sd b d s b
+ + +
u
ud
Antibaryons:3 antiquarksu
u
d
Msons:1 quark et un antiquark
Baryons:3 quarks
23
23
13
proton
u
u
d
23
23
13
antiproton
u
u
d
23
+
13
mson ud
ud
Pourquoi trois familles ?
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Les neutrinosLes neutrinosontontune histoire liune histoire liee celle decelle de
la physique modernela physique moderne
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De la dcouverte de la radioactivit la crise de lnerg
1914 : Lise Maitner, Otto Hahn et James Chadwickmesurent le spectre dnergie des rayons
1886:Pierre Becquereldcouvre laradioactivit
1897:J.J.Thomsondcouvre llectron
1902:Pierre et Marie Curiedcouvrent queles rayons sont des lectrons
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de 1914 1930:Crise de la sacro-sainte loi fondamentale de laphysique: la conservation de lnergie
Transmutation par dsintgration-40K 40Ca + e-
Conservation de lnergie: llectron devrait avoir une nergie constante.
Or il a tout un spectre dnergie
Spectre dnergie de llectron misdans la dsintgration b du40K
E (keV)
I n t e n s
i t
Deux monuments saffrontent:- Niels Bohr(et les pragmatiques)- Albert Einstein(et les gardiens du temple)
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De linvention la dcouverte du neutrino
Lide de Pauli : loeuf de Colomb
1. - la non conservation de lnergie nest quapparente,2. -une partie de lnergie donne un troisime corps, neutre3. - comme llectron peut occasionnellement prendre toute
lnergie disponible: la masse de cette particule est petite,4. - comme la particule na jamais t observe, elle interagit
trs faiblement avec la matire.
en fait np + e- +ou plutt du + e- +
40K 40Ca + e- +
1930:Wolfgang Pauli, retenu par un bal Zurich, dans une lettre Dear Radioactive Ladies and Gentlemen en congrs Tbingen le 4 dcembre
I have hit upon a desperate remedy to save the law of conservation of energy.
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Pour comprendre le pari de Fermi: une comparaison comme uneautre entre forces forte et faible:
Force forte:dsintgration en chane des tats excits des nuclons en 10-23s
Force faible:dsintgration du neutron en environ 887 snp + e- +
26 ordres de grandeur de diffrence
1933:Enrico Fermibaptise le neutrino, le petit neutre- invente lathorie la force (nuclaire) faible- promet une caisse de champagne qui dcouvrira le neutri
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1956: 26 ans plus tard, la fin dune longue qute:Fred Reines et Clyde Cowanprouvent lexistence du neutrinoGrce aux premiers neutrinosfabriqus par lhomme au racteurde Savannah River
Fermi est mort depuis deux ans et ne pourra pasoffrir le champagne.Pauli a plus de chance et survira deux ans la dcouverte
de son invention.
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Les lectrons ont aussi des rpliques
et des antiparticulesLa nature a aussi des antilectrons:1930 : Carl Anderson dcouvrele positon = antilectron
Pierre Joliot-Curie la dsintgration+
mission dun positon
La nature bgaie pour les lectrons:1937 :Carl Anderson et dautres dcouvrentles muons-, +semblables en tout llectron et au positon, mais instables(2 microsecondes) et 200 fois plus massifs..
210Rn 210At + e++
1974: Lquipe deMartin Perl dcouvreles taus-, +hautement instables (10-13s) et 3500 fois plus massifs
E l i i i il
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1956-1957 :prdiction de Tsung Dao Lee et Cgen Nin Yang
La naturereconnat sa gauche de sa droitevrification par Chien Shung Wu
La nature a aussi des antineutrinos
Et les neutrinos, pourquoi nauraient-ils pas aussdes rpliques et des antiparticules?
1959 : Ray Davis : neutrinos et antineutrinos sontdiffrents
Noyau radioactif+: e++ + noyaue- + XNoyau radioactif- : e- + + noyaue++ X
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La nature bgaie pour les neutrinos:
1962 :Leon Lenderman, Melvin Schwartz etJack Steinberger
dcouvrent queles neutrinos associs aux lectronset aux muons sont diffrents:
:
+ +
-
+
-
+
+ n pen p e
+
+ +
+ +:
+ +
-
+
-
+
+ ee
n pe
n p e
+
+ +
+ +
2000: Le groupe DONUT dcouvre les ,lesneutrinos du .
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Les familles de leptons aujourdLes familles de leptons aujourdhuihui
neutrino-
les l
neutrino-ele
e
m neutrino-umuon
tautauct
s
n
n
ro
pto
e
e
Les familles de quarks aujourdLes familles de quarks aujourdhuihui
22 2 3
13
3
13
3
13
charm
strang
top
bo
les qua
te
up
dow m
r s
n
k
to- --
d b
c
s
u t
les leptons existent ltat libre
les quarks sont lis dans les msons et les baryons
les antileptons
e
e + +
2 3
13
2 32
13
3
13
les antiquarks
t
b
u
d
c
s
+ +
+
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Les neutrinos ont-ils au moinsune masse ?
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Les neutrinos sont neutres et nLes neutrinos sont neutres et ninteragissentinteragissent
pratiquement paspratiquement pasmais au moins ontmais au moins ont-- ils une masse?ils une masse?Limite exprimentale:dsintgration du tritium
3 3 -eH He + e +
Llectron peut prendre toute lnergie disponible.Aucune nergie m
c2 ne doit tre rserve pour la masse m
du neutrino
m < 1/50 000 masse de llectronm < 1/100 000 000 masse du proton
e E
mc2
m=0
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Les neutrinos du Big-Bangremplissent lUnivers
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Les neutrinos du Big-Bang remplissent lUnivers
Hedwin Hubble dcouvre les galaxies:elles se fuient dautant plus vite quelles sont loigneinspire l atome primitif Georges Lematre
Le modle cosmologique du Big-Bang:
dcrit lvolution de lUnivers partir dune formidabexplosion qui cre espace, temps, matire et radiationil y a 13.5 milliards dannes
depuis, lUnivers est en expansion et sest structur enrefroidissant
65 km/s 3 millionsdannes-lumire
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Il sen est fallu dun rien pour que lUnivers soit vide de matire
Premire fraction de seconde:Matire et antimatire s'annihilent totalement en rayonnement.Compltement ?
Miracle ! Un 10 milliardime de particules de matire en plus!Pourquoi? Modles vrais ou faux ? A vrifier comment?En augmentant lnergie de nos acclrateurs. Rponse aprs 201
Aprs 14 milliards dannes :
Cartographie du rayonnement fossile dl Univers refroidi 2.73 K (-270.42 C
Bruit de Fond Micro-onde.Penzias et Wilson en 1965
WMAP 2003
Age de lUnivers : 14 milliards dannes
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Carte de la temprature du rayonnement fossile micro-onde
Age de l Univers : 14 milliards d annes
Trs homogne: T=2.73 K, variations 10-5
Carte de la densit de la matire
Trs inhomogne
Age de lUnivers : entre 300 000 ans et 1 milliard dannesCarte de la temprature du rayonnement
Trs homogne: T 4000 70 K, variations 10-5
Carte de la densit de la matire
Trs homogne
Gravitation
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Il y a 10 milliards de fois plus de neutrinos dans lUniversque de protons ou dlectrons
environ 100 par cm3
Flux : au moins 200 milliards / cm2 / s
du moins, tout le monde en est convaincu.
Aucune bonne ide pour dtecter des neutrinos dnergie aussi pe
A part les neutrinos qui ont survcu en nombre ?Lannihilation neutrino - antineutrino en rayonnement est infiniment faibl
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Les neutrinos humains
U t h i ti t i 2 d t i k
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Un homme de 200 kg met 20 000 neutrinos chaque secondee
Un tre humain contient environ 2 g de potassium par kg
dont 0.012%= 0.24 mg de40K radioactifLe40K a une demi-vie de 1.3 milliards dannes :
1510-21 g se dsintgrent chaque seconde
1510-21 g de 40K radioactif = 100 atomes se dsintgrent par second
e
Une femme de 50 kg, environ 5 000
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Les neutrinos de la Terre
L i d l T i t t l i ?
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Lnergie de la Terre : gigantesque racteur nuclaire?Dsintgration des noyaux instables.
e107 /cm2 /s40 000 Gigawatts ou20 000 centrales nuclaires
232Th40K235-238U
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Une autre manirede connatre leur masse
Les neutrinos peuvent osciller :
Les oscillations de neutrinos
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Les oscillations de neutrinos
Un autre mystre du monde de la mcanique quantique :Une cr ici peut se transformer en puis nouveau eneet entre les tatse et avant darriver l-basoscillerUn neutrino peut tre regard comme
une produit dans une interaction en mme temps quune + un produit dans une interaction en mme temps quun +
Un neutrino peut tre regard commeun1de massem 1 un2de massem 2
Les paires dtats {e } et {12} ne concident pas
1 e
0.7 0.3
2 0.3 0.7
e 1
e
0.7 0.3
2
0.3 0.7
1 2
U
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Un
est cr avec une+ dans une interaction.
e .7 .31 2
Les deux composantes de la masse se propagent avec des vitesses diffrCeci gnre un dphasages entre ces deux composantes.Aprs une distanceL , la composition est devenue, par exemple,
.6 .41 2
.3 .7e 2 e .86 .14 2
.6 .261 2 .14 2
.04e e .86 .10
e .90 .10
Conditions :- masses diffrentes- paires dtats {e } et {12}
ne concident pas
Les oscillations de neutrinos
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Expriences trs difficilesAucune prdiction thoriques deP max et dem 2
( )2
2
2 2 22 1
distance parcourue par le neutrino4
nergie du neutrino
e max
m L P P sin L
E E
m m m
= =
= =
Les oscillations de neutrinos
( )e e P
( )e P
L
P max petit
( )e e P
( )e P
L
22 0
4m L
sin E
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Le rayonnement cosmiqueetles neutrinos atmosphriques
Le rayonnement cosmiqueO igi
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Le rayonnement cosmiqueOrigine: Soleil Tous les cataclysmes astrophysiques de notre Galaxie (Supernova Tous les cataclysmes astrophysiques de lUnivers Les reliquats du Big-Bang
Composition: semblable celle de lUniversprincipalement des noyaux dhydrogne et dhlium
Flux dans la haute atmosphre:10 000 / m2 / s
Aurore borale:rayons cosmiques dun type particulier:lectrons mis par le soleil
Victor Hess
Les derniers filtres:
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Les derniers filtres:
Latmosphrearrte presquetout mais laisse passer ce quininteragit pas fortement:lectrons : 1 / (m2 s),muons : 200 / (m
2s),neutrinos : 10 000 / (m2 s)
dtecteur neutrinos
La Terrearrtelectrons sur quelques mtresmuons sur 1 ou 2 km
La Terrenarrte (quasiment)
pas les neutrinos !!!
Les dtecteurs neutrinos atmosphriques:
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Les dtecteurs neutrinos atmosphriques:massifs : avoir quelques interactionssouterrains : blindage cosmique
sous les Alpes (Mont Blanc, du Frejus), les Abruzzes (Gran Sassle Caucase (Baksan), au fond des mines de Soudan, Sudbury, Ka
MACRO
53 000 tonnessous le Gran Sasso
Super-Kamiokande : dtecteur neutrinos atmosphriq
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p p q
50 000 tonnes (50 000 m3) deauhautement purifie (transparente) sous 1000 m de rochedans la mine Mozumi, Kamioka, Japon : blindage cos vue par11200 yeux lectroniques(tubes photomultiplicateurs) :dtecter la lumire tnue mise par les particules cres dans linteraction
100 000 neutrinos atmosphriques par seconde30 interactions par jour
Rsultats unanimesLes neutrinosi t d t t
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P,He,Fe
20 km
13 000 km
P,He,Fe
Rsultats unanimes
- nombre observ dee= nombre attendu- nombre observ de
venant du haut (20 km)= nombre attendu- nombre observ devenant du bas (13 000 km)
=1/2nombre attendu
viennent de partout
Interprtation admise:Les venant du bas ont eu letemps d osciller enque le dtecteur ne voit pas
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Les neutrinos du Soleil
Comment fonctionne le soleil?Comment fonctionne le soleil?
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Hans Bethe (annes 1930) William Fowler (annes 1950)
Le soleil est un plasma de noyaux dhydrogne et dhlium etdlectronsLe cur du soleil est une centrale nuclaire :fusion de lhydrogne en hlium
Temprature: 10 millions de degrs
Nos centrales nuclaires : fission de noyaux lourds en noyaux plu
Comment fonctionne le soleil?Comment fonctionne le soleil?
1 44 2 Energie (rayons )2 e H He e++ + + + +
SNO : Dtecteur neutrinos solaires
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1 000 tonnes (1 000 m3) deau lourde (D2O)hautement purifie sous 1300 m de rochedans la mine de Creighton, Sudbury, Canada : blindage cosm vue par9500 yeux lectroniques(tubes photomultiplicateurs) capables dedtecter la lumire tnue mise par les particules cres dans linteraction dune
Support des tubes PMEnveloppe acrylique =12m
6 000 tonne H2O
Les neutrinos du soleil e
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1 5 0 0 0 0
0 0 0 k
m
5 0 0 s
65 milliards
/cm2
/s
e
Flux dee mesur depuis 30 ansRsultat unanime de 5 expriences:
50% des neutrinose manquent lappel
Flux total mesur depuis 2 ans :
Nombre total de : (e confondus)= Nombre dee attendu
Lese venant du soleil ont eu le tempsdosciller
?
La preuve par les neutrinos
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La preuve par les neutrinos
que le moteur solaire est bien un moteur fusion nucla
Angle entre les directions du Soleilet de llectron mis dans linteraction des neutrinos solaires
0 degrs180 degrs
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Les neutrinos faits par leshommes:
Les racteurs nuclaires
Les neutrinos des racteurs
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Un racteur de 1 GigaWatt produit environ 61020 neutrinos(antineutrino - e) par seconde au cours de 1020 chanes de fission
puis Bugey(F), Chooz(F), Gsgen(D), Rovno(UKR), Krasnoarsk(
Palo Verde (USA)Avantage : gratuit !!!Inconvnients : domaine dnergie trs limit,
difficult de monter des expriences prs dun racteu
Chooz
Savanah River: Reines et Cowandcouvrent le neutrino
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Les neutrinos faits par leshommes:
Les acclrateurs de particules
Les neutrinos des acclrateurs
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Avantages: contrle de lnergiedu type de neutrinos crs
Inconvnients: cher mme si lacclrateur existe la construction: faisceaux complexes lexploitation, pour lternelle raison:
des milliers de milliards de neutrinos pour une interaction
Programmes continus de physique du neutrino: Au CERN et au laboratoire FERMI, Chicago
depuis la fin des annes 1960. Au KEK, Tsukuba (Jp), Los Alamos (USA), au LaboratoireRutherford (GB) depuis plus rcemment
AcclrateurPrincipe Cavit acclratriceChamps lectrique
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circulaireetCollisionneur
Principe p q
Aimant de focalisationChamps magntique
Aimant de courbureChamps magntique
Chambre vide
collisionneur
injection
acclrateur
jectioninjection
Cavit acclratrice Chambre vide
Aimants:Courbure : dipleFocalisation : quadriple
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Acclrateurs du
Genve9 km
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Lexprience OPERA
Lexprience OPERA : vrifier de manire contr
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ples rsultats des neutrinos atmosphriques
Faisceau de neutrinos:CERN, Genve
Dtecteur:sous le Gran Sasso, Abruzzes
Distance Genve - Gran Sasso
730 km0,002 secondesPermettre aux oscillationsde se dvelopper2000 km serait mieux
La cible dOPERA
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235 000 briques de plomb de 8,3 kginstrumente par du film photographique.Poids Total : 1800 tonnes
17 hectares de film photographique
3 0 0
m
f i l m
p h o t o g r a p h i q u e
1 mm Pb
56 couches
200 mBaseplastique
5 0
m
m
u l s i o n n u c l a i r e
5 0
m
m
u l s i o n n u c l a i r e
1 0 0
m
MIP~35 grains / 100m
Pourquoi du Plomb ?Cible massive pour compenser la probabilitextrmement faible dinteraction des neutrinos.
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f i l m
Pb
1 mm
Pourquoi du film photographique ?Toute la diffrence entre uneinteraction de et une interaction de se passe sur 1 mm.
Le dtecteur OPERA
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Aimants dipolaires +Trajectographe haute rsolution
Murs de plomb instrumentsmulsion photographique +Trajectographe basse rsolution (TT)
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Posters TT OPERA
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DocumentPrincipe de fonctionnement
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Assemblage des modules en plans
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Insertion des traceurs dans le dtecteur
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Best of
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Prototype mcanique
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volution du collage des fibres
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volution dans la fabrication des barreaux
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volutiondu systme dinjection de lumirede polissage de la fentre optiquede lacquisition de donnes
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volutiondes bouchonsdu collage des peaux
OPERA : un projet de taille moyenne
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1997 : premires cogitations2000 : proposition d exprience, dbut de la recherche de fonds2001 : exprience approuve par le CERN
dbut de la construction du faisceau2002 : dbut de la construction des dtecteurs dans les laboratoires2003 : dbut de l installation au Gran Sassomi-2006 : la construction du dtecteur est suffisamment avance p
la physique puisse commencermi-2007 : fin de la construction2011 : fin (provisoire?) de la prise de donnes de lexprience2014?? : fin de lanalyse
150 physiciens, 30 laboratoires dAllemagne, Belgique,Chine, Core, Croatie, France, Isral, Italie, Japon, Russie,Suisse et Turquie
L a p h y s i q
u e d e s
L a p h y s i q
u e d e s
p a r t i c u l e
s :
p a r t i c u l e
s :
u n e l o n g u
e p a t i e n c e
u n e l o n g u
e p a t i e n c e
Cot :
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?
faisceau : 50 millions dtecteur: 55 millions dont mulsion nuclaire : 25 million
CCest cherest cher !
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Notre rcompense, aprs 15 ans de dur labeur,Si nous avons bien travaill
ET
Si la physique est ce que nous croyons quelle est:Quelques dizaines de
ayant enet interagi dans le dtecteur OPERA.
oscill
et
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A quoi a sert ?
Physique des Particules, Astrophysique, Cosmologie :Recherche fondamentale sur le plan de la connaissance
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Recherche fondamentale sur le plan de la connaissanceComprendre lUnivers
Big-Bang:Cration deEspaceTempsMatire-Energie
aprs 14 milliards dannes
Avatar?Invitable?Dtermin?
la fin du temps ???
Argent bien investi !!Argent bien investi !!
Michael Faraday (1791-1867), un dput, propos de ses
Histoire de la physique : exemples parmi une myriade
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y ( ), p , p ptravaux sur les effets magntiques de llectricit : Je ne sais quoi serviront mes recherches, mais un jour, le gouvernementbritannique pourra lever des impts dessus
Heinrich Herz vers 1890 poursuit les travaux thoriques deMaxwell sur llectromagntique :communication par voiehertzienne. Joseph John Thomson et Hendrik Lorentz, fin du XIX sicle,veulent comprendre la nature du courant lectrique et dcouvrentllectron.
1930 : premiers ordinateurspour besoins en calculs desthoriciens de la physique nuclaire (longtemps avant Hiroshima etSavannah River)
William Shockley, John Bardeen et Walter Bratain, thoriciensde la physique quantique des solides, en 1950 :effet transistor.
Retombes directes et indirectes de la physique des particules
Sciences de la vie :proton thrapie
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Sciences de la vie : radiothrapie, proton thrapie dosimtrie imagerie mdicale: rayons X, camras gamma, tomographie mission de positons (TEP), strilisation gamma du matriel chirurgical, radio-isotopes pour implants,Mtallurgie : contrle de qualit, processus dusure,
Science des matriaux : modifications des surfaces par implantation dions (avionique,prothse,
Microlectronique : fabrication des puces par lithographieRseau de 40 nm(40 millionime de mm)lithographie par rayonnementsynchrotron X
TEP petit animal
TEP cerveau Parkinson
Retombes directes et indirectes de la physique des particules
Archologie, uvres darts :
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datation analyse des pigments,
Agroalimentaire : strilisation gamma
Scurit : imagerie : dtection de matriaux, de personnes. strilisation du courrier
nergie, retraitement : transmutation des dchets de fission longue vie des racteursnuclaires, production dnergie nuclaire par amplification : chane de ractionsous-critique, dchets de fission propres, combustible abondant(Th232)Technologies de pointe : techniques du vide extrme, cryognie, supra-conductivit,hauts champs magntiques,
Dbut 1993 : 50 recherche physiqueFin 1993 : 500 recherche
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1991: Tim Berners-Lee cre le premier serveur et premier browser, etles protocoles de base du World Wide Web: adresses URL, protocole detransmission HTTP et code HTML pour les besoins des grandes collaborations internationalesde physique des particules.
Fin 1993 : 500 rechercheFin 1994 : 10 000
2 000 commerciaux
2007, Prochaine tapeGRID - calcul sur rseau :
Physique des particules,Mtorologie, Observation de la Terre,Bio-informatique, Gnomique,Espace,
Le parc des acclrateurs en 2002
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Implantation dions, modifications de surfaces de matriaux : 7 000
Industrie, mtallurgie : 1 500
Recherche non nuclaire : 1 000 Radiothrapie : 5 000
Production de radio-isotopes pour la mdecine : 500
Sources de radiation synchrotron pour lindustrie et la recherche :70
Recherche en physique des particules et physique nuclaire : 110
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Une nouvelle discipline:lastrophysiquedes neutrinos
Naissance de la discipline : la Supernovae SN1987aExplosion de Sanduleak 69202
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dans le Grand Nuage de Magellanil y a 150 000 ans(donc 150 000 a.l.)
aprs avant
aujourdhuiSupernovae II: le modleles grosses toiles (8 fois le Soleil) meurent jeunes : 100 millions dannes
1 seconde : le cur de fer seffondre en une toile neutrons ou un trou n
10 secondes: rebond sur le cur, onde de choc, synthse des noyaux lourdet expulsion des couches externes.
Energie produite: 2 1048 Joules(400 fois le Soleil sur une vie de Soleil)comment? 99% sous forme de neutrinos !!
150 000 ans plus tard:SN1987a: la preuve du modle par les neutrinos
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Un flash de 4 1043 / m2 doit traverser la terre en dix secondes
Le 23 fvrier 1987 7h35 T.U.
SN1987a est observ par les astronomesDtecteur neutrinos:
Kamiokande - mine Mozumi de Kamioka, Japon12 interactions de neutrinos en 12.4 sIMB - mine de Fairport Harbour, Ohio8 interactions de neutrinos en 6.0 s
Baksan - sous le mont Baksan, Caucase5 interactions de neutrinos en 9.1 s
en temps normal: 1 interaction de neutrino par jour
Coeur de la galaxie NGC 3261Masse = milliards dtoilesLastrophysique des neutrinos :
observer les cataclysmes
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Messagers du Cosmos:
la lumire (ondes radios, visible, rayons)lUnivers est opaque aux rayons les plus nergtiques
88 000annes-lumire
400 annes-lumire
astrophysiques les plus nergtiques
les protons, les noyaux datomelUnivers est opaque aux protons les plus nergtiquesles protons sont dvis dans les champs magntiques
les neutrinosvont tout droit et lUnivers leur est (quasi) transparent mais les dtecteurs aussi sont (quasi) transparents !!!!
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Des dtecteurs super-hyper-mga massifspour lastrophysique des neutrinos
Regarder avec des yeux lectroniques des volumesdeau pure et transparente de lordre du km3
Mis disposition par la nature
au fond de la Mditerrane (ANTARES, NESTOR, NEMO)au fond du lac Bakal (BAIKAL)
sous lAntarctique (AMANDA, ICE-CUBE)
AMANDA/IceCube auDbut de linstallation : 1997
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Fin : 2008.Du travail pour 20 ans
AMANDA IceCube
AMANDA
d l
Base
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Module optique.
Forage dun troude 2400 m dans la glace
Descente moduleoptique
De quoi est faite la matire noire de lUnivers?
1 i l d
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1 - Particules non encore dtectes:interagissant faiblement avec la matire.
2 - Particules massives : effets gravitationnels
Les neutrinos existent, satisfont aux deux conditions
Leur masse est trs petite : < 100 millionime de masse du proton mais pas ncessairement nulle et ils sont 10 milliards de fois plus nombreux dans lUnivers!
30 ans de physique du neutrino au CERN
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BEBCGargamelle CHARM
CHARM-IICDHS
CHORUS
Pourquoi et comment cette explosion? Et quoi avant?
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Avant 10-10s : Modles vrais ou faux ?
A vrifier comment?En augmentant lnergie de nos acclrateurs.
Dbut de rponse vers 2007-2008
6- t=1 000 000 annesT= - 250 C
La gravit intervient :Coalescence des gaz datomes en nuages gants:Formation des premires toiles gantes, des galaxies, des amas.Premires toiles synthtisent des noyaux lourds, meurent,jectent dans lespace la matire premire de nouvelles toiles etdes plantesDomaine de lastrophysique
5- t=300 000 ansT=10 000 C
La force lectromagntique intervient :Noyaux et lectrons se lient pour former les atomesDomaine de la physique atomique
1- t=10 -43sT=?
Modles dexplosion de lUnivers :Inflation
2- t=10 -32sT=10 27 C
Soupe de particules lmentaires :Quarks, electrons, neutrinos.Indications exprimentales aux plus hautesnergies ralises en laboratoire.
3- t=10 -6sT=10 13 C
Quarks se lient en protons, neutronsDomaine de la physique des particules
4- t=200 sT=10 9 C
Protons et neutrons se lient en noyaux lgers :Hydrogne, Hlium, LithiumDomaine de la physique nuclaire
1 2 3 4 5 6 7
7- t=14 milliards dannes : AujourdhuiT=-270 C
Nous pour essayer de comprendre
Puissance de la centrale nuclaire solaire :
4 1017 i
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4 1017gigawatt20 milliards de milliards
de centrales nuclaires
Cest quoi, lnergie du Soleil reue sur Terre? 1 kilowatt/m2
98% : rayonnementau cur du soleil1 million d annes pour traverser le soleil !nergie rduite dun facteur 1 million :rayonnement rayonnement visiblepar hasard?
2% : neutrinos8 minutes du centre du soleil la terre
Pourquoi vous parler de neutrinos?Pourquoi vous parler de neutrinos?
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Prtexte pour parler des particules lmentaires : les composanultimes de la matire et des forces qui les structurent.
lmentaires: sans structure plus petite jusqu preuve du contrair
Sa charge lectrique, son rayon sont nuls,Sa masse quasi nulle : moins du 1 / 500 000 de celle de llectronLUnivers est quasi transparent aux neutrinos
Prtexte pour parcourir une partie de lhistoire de la physique au Xeme
siecle
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Les neutrinos du Big-Banget la matire noire de lUnivers
La matire noire de lUnivers : dtecte par effets gravitationnelsVitesse de rotation des toiles en fonction
de la distance au cur de la galaxie disque galactique
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Au moins 80% de la matire de lUnivers est noireet de nature inconnue.
r (kpc)
v (km/s)de la distance au cur de la galaxie
Loi deNewton
mesuresdisque galactiquedans halo sphriquede matire non visible
Les neutrinos contribuent au spectacle desgalaxies depuis 10 milliards dannes, mais
pas seuls
densite d'energie
relative
matiere ordinaire 10
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pas seulsdont lumineuse 1
neutrinos 0.7 17
radiation 0.012
matiere noire 67
De nouvelles particules ? Modles vrais ou faux ?A vrifier comment?En augmentant lnergie de nos acclrateurs.Sans doute une rponse avant 2010
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