Types de neutrinos et d'oscillations de neutrinos

Les neutrinos - tout comme les leptons chargés (électron, muon, tau), les quarks du type supérieur (supérieur, charmé, vrai) et du type inférieur (inférieur, étrange, charmant) - sont de trois types. Mais ils peuvent être divisés en types de différentes manières. En même temps, 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 un fait aussi intéressant et scientifiquement important que les oscillations des neutrinos en découle.

Vous pouvez penser que chaque particule a une masse spécifique - par exemple, l'énergie de la masse électronique est (E = mc ² ) 0,000511 GeV - et d'un point de vue possible, trois types de neutrinos ne font pas exception. On peut classer trois neutrinos par 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 une telle classification de masse par division, et de tels types de neutrinos - types de masse.


Fig. 1

Une autre façon de classer les neutrinos est par leur relation avec les leptons chargés (électron, muon et tau). Ceci est mentionné dans un article sur l'apparence des particules si le champ de Higgs était nul. La meilleure façon de comprendre cela est de se concentrer sur la façon dont les neutrinos sont affectés par de faibles interactions nucléaires, 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 (Fig.1) en l'une des trois charges des antileptons et l'un des trois neutrinos. Si W se désintègre en antitau, un neutrino tau apparaîtra. De même, si W se désintègre en un antimuon, un neutrino muon apparaît. (Ce qui est essentiel pour créer un rayon de neutrinos, un pion se désintègre à l'aide d'interactions faibles, et les neutrinos d'antimuons et de muons sont obtenus à partir de pions chargés positivement). Et si W se désintègre en positron, un neutrino électronique apparaîtra. Nous appellerons cela une classification faible, et ces neutrinos sont des neutrinos de type faible, car une interaction faible les détermine.

Eh bien, quel est le problème? Nous utilisons constamment différentes classifications appliquées aux personnes. Nous disons que les gens sont jeunes, vieux et vieux; ils sont grands, moyens et courts. Mais les gens peuvent éventuellement être davantage divisés, par exemple, en neuf catégories: jeunes et grands, jeunes et d'âge moyen, adultes et petits, personnes âgées et petits, etc. Mais la mécanique quantique nous interdit de faire de même avec les classifications des neutrinos. Il n'y a pas de neutrinos qui soient simultanément des neutrinos muoniques et des neutrinos-1; il n'y a pas de tau-neutrino-3. Si je vous dis la masse du neutrino (et donc s'il appartient au groupe neutrino-1, 2 ou 3), je ne peux simplement pas vous dire s'il est électronique, muonique ou tau-neutrino. Un neutrino d'un certain type de masse est un mélange ou «superposition» de trois neutrinos de type faible. Chaque neutrino de masse - neutrino-1, neutrino-2 et neutrino-3 - est un mélange précis mais différent de neutrinos électroniques, muoniques et tau.

L'inverse est également vrai. Si je vois comment un pion se désintègre en un antimuon et un neutrino, je découvre immédiatement que le neutrino résultant sera un neutrino muon - mais je ne peux pas connaître sa masse, car ce sera un mélange de neutrino-1, neutrino-2 et neutrino-3 . Les neutrinos électroniques et les neutrinos tau sont également des mélanges précis mais différents de trois neutrinos de masses spécifiques.

La relation entre ces types massifs et faibles est plus similaire (mais pas exactement cohérente) à la relation entre les classifications des autoroutes américaines comme allant «du nord au sud» et «d'ouest en est» (le gouvernement américain les divise de cette façon, attribuant des nombres impairs au C / Sud et même des routes simples (N / B), et en les divisant en routes qui vont du "nord-est au sud-ouest" et du "sud-est au nord-ouest". L'utilisation de n'importe quelle classification a ses propres avantages: la classification N / S - W / N convient si vous vous concentrez sur la latitude et la longitude, et NE / SW - SE / NW sera plus pratique près de la côte, car elle va du sud-ouest au nord. à l'est. Mais les deux classifications ne peuvent pas être utilisées simultanément. La route vers le nord-est est en partie au nord et en partie à l'est; on ne peut pas dire qu'elle soit ceci ou cela. Et la route du nord est un mélange de nord-est et nord-ouest. Il en va de même pour les neutrinos: les neutrinos de masse sont un mélange de neutrinos faibles et les neutrinos faibles sont un mélange de neutrinos de masse. (L'analogie cessera de fonctionner si vous décidez d'utiliser la classification améliorée des routes C / S - N / S - S / S - S / S - S / N; pour le neutrino, cette option n'existe pas).

L'incapacité à classer les neutrinos, en les attribuant à un certain type de masse et à un certain type faible, est un exemple du principe d'incertitude , semblable à une étrangeté interdisant à la fois de connaître 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 pouvez apprendre quelque chose sur les deux propriétés, mais pas toutes. La mécanique quantique vous indique exactement comment équilibrer vos connaissances et votre ignorance. Soit dit en passant, ces problèmes ne s'appliquent pas uniquement aux neutrinos. Ils sont associés à d'autres particules, mais sont particulièrement importants dans le contexte du comportement des neutrinos.

Il y a des décennies, tout était plus simple. Ensuite, on a cru que les neutrinos n'avaient pas de masse, il suffisait donc d'utiliser une classification faible. Si vous regardez de vieux ouvrages ou de vieux livres pour des gens ordinaires, vous ne verrez que des noms tels que les neutrinos électroniques, les neutrinos muons et les neutrinos tau. Cependant, après les découvertes des années 1990, cela ne suffit plus.

Et maintenant, le plaisir commence. Supposons que vous ayez un neutrino à haute énergie de type électronique, c'est-à-dire un certain mélange de neutrino-1, neutrino-2 et neutrino-3. Un neutrino se déplace dans l'espace, mais ses 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 trois types de masse ont trois masses différentes. La différence de vitesse est extrêmement faible pour tout neutrino que nous pouvons mesurer - cela n'a jamais été observé - mais son effet est étonnamment fort!

La différence de vitesse des neutrinos - quelques formules

La vitesse des particules v dans la théorie de la relativité d'Einstein peut être écrite en termes de masse de particules m et d'énergie E (c'est l'énergie totale, c'est-à-dire l'énergie de mouvement plus l'énergie de masse E = mc ² ), et la vitesse de la lumière c, comme:

$$

$$v = c (1 - [\ frac {m c ^ 2} {E}] ^ 2) ^ {1/2}$$

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

$$

$$v = c (1 - [\ frac {m c ^ 2} {E}] ^ 2/2 + ...)$$

Où les points nous rappellent que cette formule n'est pas 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'un montant égal à la moitié du carré du rapport de l'énergie massique de la particule à son énergie totale . D'après cette formule, on peut voir que si deux neutrinos ont des masses différentes m ₁ et m ₂ , mais la même grande énergie E, alors leurs vitesses diffèrent très peu.

Voyons ce que cela signifie. Tous les neutrinos mesurés d'une supernova qui a explosé en 1987 sont arrivés sur Terre dans un intervalle de 10 secondes. Supposons qu'un neutrino électronique soit émis par une supernova avec 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 exactement les masses de 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. Ensuite, 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 sur cent mille milliards:

$$

$$v_1 - v_2 = c [(m_2 ^ 2 - m_1 ^ 2) c ^ 4/2 E ^ 2 + ...] = 0.0000000000000000005 c$$

(l'erreur de toutes les équations ne dépasse pas 1%). Une telle différence de vitesse signifie que des parties du neutrino-2 et du neutrino-1 du neutrino électronique d'origine arriveraient sur Terre avec une différence d'une milliseconde - une telle différence ne peut pas être détectée pour de nombreuses raisons techniques.

* * *

Et maintenant, de l'intéressant, nous passons à des choses vraiment étranges.

Cette minuscule différence de vitesse fait que le mélange exact de neutrino-1, neutrino-2 et neutrino-3, qui est un neutrino électronique, change progressivement en se déplaçant dans l'espace. Cela signifie que le neutrino électronique avec lequel nous avons commencé cesse d'être nous-mêmes au fil du temps et correspond à un mélange spécifique de neutrino-1, neutrino-2 et neutrino-3. Les différentes masses de neutrinos de trois types de masse transforment le neutrino électronique initial pendant le mouvement en un mélange de neutrinos électroniques, de neutrinos muons 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 de carrés de masses) du neutrino.


Fig. 2

Au début, l'effet augmente. Mais, fait intéressant, comme le montre la Fig. 2, cet effet n'est pas seulement en constante augmentation. Il croît, puis diminue à nouveau, puis croît à nouveau, diminue encore, encore et encore, au cours du mouvement des neutrinos. C'est ce qu'on appelle les oscillations des neutrinos. Leur exactitude dépend de la masse des neutrinos et de la façon 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 entrant en collision avec un noyau (à savoir, un neutrino peut être détecté) peut se transformer en électron, mais pas en muon ou tau, tandis qu'un neutrino muon peut se transformer en muon, mais pas en électron ou tau. Donc, si nous avons commencé avec un faisceau de neutrinos muons, et après s'être déplacés à une certaine distance, certains neutrinos sont entrés en collision avec des noyaux et se sont transformés en électrons, cela signifie que des oscillations se produisent dans le faisceau et les neutrinos muons 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 et de tau, les neutrinos électroniques interagissent avec elle d'une manière différente du muon ou du tau. Ces interactions qui se produisent par une interaction faible sont extrêmement petites. Mais si le neutrino traverse une grande épaisseur de matière (par exemple, à travers une fraction tangible de la Terre ou du Soleil), ces petits effets peuvent s'accumuler et affecter considérablement les oscillations. Heureusement, nous en savons assez sur les interactions nucléaires faibles afin de prédire ces effets en détail et de calculer la chaîne entière à l'envers, des mesures dans une expérience à la découverte des propriétés des neutrinos.

Tout cela se fait en utilisant la mécanique quantique. Si ce n'est pas intuitif pour vous, détendez-vous; pour moi, ce n'est pas non plus intuitif. J'ai tiré toute mon intuition des équations.

Il s'avère qu'une mesure minutieuse des oscillations des neutrinos est le moyen le plus rapide pour étudier les propriétés des neutrinos! Pour ce travail, ils ont déjà décerné le prix Nobel. Toute cette histoire est née de l'interaction classique de l'expérience et de la théorie, qui s'étend des années 1960 à nos jours. Je mentionnerai la plus importante des mesures prises.

Pour commencer, nous pouvons étudier les neutrinos électroniques produits au centre du Soleil, dans son four nucléaire bien étudié. Ces neutrinos voyagent à travers le soleil et à travers l'espace vide jusqu'à la terre. Il a été constaté que lorsqu'ils arrivent sur Terre, ils peuvent avec la même probabilité appartenir au type de muon ou de tau, ainsi qu'au type de neutrino électronique. Cela en soi sert de preuve d'oscillations de neutrinos, et la distribution exacte nous donne des informations détaillées sur les neutrinos.

Nous avons également des neutrinos muons résultant de la désintégration de pions provenant des rayons cosmiques. Les rayons cosmiques sont des particules de haute énergie provenant de l'espace extra-atmosphérique et entrant en collision avec des noyaux atomiques dans la haute atmosphère. Dans les cascades de particules qui en résultent, on trouve souvent des pions, dont beaucoup se désintègrent en neutrinos et antimuons muons, ou en antineutrinos muons et muons. Nous détectons certains de ces neutrinos (et antineutrinos) dans nos détecteurs, et nous pouvons mesurer combien d'entre eux appartiennent aux neutrinos électroniques (et antineutrinos) en fonction de l'épaisseur de la Terre qu'ils ont traversée avant d'entrer dans le détecteur. Cela nous donne à nouveau des informations importantes sur le comportement du neutrino.

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). Et à ces sources naturelles d'énergie s'ajoutent diverses études réalisées à l'aide de rayons neutrinos, tels que ceux utilisés dans l'expérience OPERA , ainsi qu'à l'aide de neutrinos de réacteurs nucléaires conventionnels. Chacune des mesures est pour la plupart conforme à l'interprétation standard des neutrinos solaires et atmosphériques, et permet des mesures plus précises des mélanges de types de masse et de types faibles de neutrinos et des différences dans les masses carrées des neutrinos de masse.

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