page 10FREDERICK REINES

PRIX NOBEL 1995
BIO
Attracteur
neutrino


"Pour la détection du neutrino"


Frederic Reines a réussi à détecter l’une
des particules les plus furtives qui soit : le neutrino. En
effet, le neutrino interagit très peu avec les autres
particules, il est donc très difficile de suivre sa trace.
Produit en grande quantité par le Soleil, il nous fournirait
de précieuses informations quant aux origines de notre
système solaire.


Frederick Reines (1918-1998), physicien américain. Il travaille au laboratoire de Los Alamos, est professeur au Case Institute of Technology (Ohio) et à University of California at Irvine. En collaboration avec Clyde Cowan, il détecte le neutrino. Il construit des détecteurs de neutrino et est un des pionniers de l'astronomie des neutrino. Prix Nobel de physique en 1995


L'interaction faible

L'interaction faible est une interaction qui ne nous est pas familière car son action est confinée à l'intérieur des noyaux atomiques (tout comme l'interaction forte) et ses effets sont de très faible intensité. C'est pourquoi elle n'est connue que depuis quelques décennies.

Historique

La radioactivité était totalement inconnue avant sa découverte par Henri Becquerel en 1896. Parmi les différentes formes de radioactivité qui furent ensuite mises en évidence, la radioactivité bêta a longtemps posé un problème. En effet, dans cette forme de radioactivité, une particule détectable (un électron) est éjectée du noyau atomique avec une énergie variable, ce qui prouve qu'une certaine quantité d'énergie est émise mais non détectée. Le problème semblait si mystérieux que certains physiciens imaginèrent même que l'énergie pouvait n'être conservée qu'en moyenne et non dans chaque phénomène physique.

Pour tenter de résoudre le problème de la radioactivité bêta, en 1930, Wolfgang Pauli émit l'hypothèse qu'une particule neutre interagissant très faiblement avec la matière devait être émise en plus de l'électron. Cette particule serait donc quasiment indétectable... Il était très audacieux pour un physicien de prédire l'existence d'une particule indétectable, donc d'émettre une hypothèse invérifiable !

Un peu plus tard, deux découvertes permirent de mieux cerner la nature de la radioactivité bêta: la découverte du neutron en 1932 et la découverte de la radioactivité bêta+ en 1933, par Irène Curie et Frédéric Joliot. Cette nouvelle forme de radioactivité bêta (l'autre fut alors appelée bêta-) correspond à l'émission d'un anti-électron à la place de l'électron, et toujours une quantité d'énergie non détectée.

En 1934, Enrico Fermi élabora une théorie afin d'expliquer ces phénomènes: la radioactivité bêta- est le résultat de la désintégration d'un neutron en un proton, un électron et un neutrino, la fameuse particule prédite par Pauli mais toujours pas observée. Pour la radioactivité bêta+, c'est un proton qui se désintègre en un neutron. Cette désintégration est déclenchée par une nouvelle force nucléaire faible, mais la théorie de Fermi ne permet pas d'expliquer son origine.

Bien plus tard, en 1958, Clyde L. Cowan et Frederick Reines détectèrent pour la première fois des neutrinos, ce qui confirma à la fois la théorie de Fermi et l'hypothèse de Pauli. Néanmoins, il était clair que la théorie de Fermi ne pouvait pas être une théorie fondamentale, mais simplement une bonne approximation pour des processus de basse énergie. En particulier, l'interaction n'était pas expliquée comme un échange de particule vecteur. La théorie de l'interaction faible restait donc encore à élaborer.

Entre 1961 et 1967, Sheldon Glashow, Steven Weinberg et Abdus Salam élaborèrent la théorie électrofaible, permettant d'expliquer à la fois l'interaction électromagnétique et l'interaction faible à l'aide d'échange de particules vecteurs. Dans cette théorie, la radioactivité bêta est expliquée par la désintégration d'un quark d'un proton ou d'un neutron en un autre quark et la particule vecteur de l'interaction faible (le W, particule électriquement chargée), ensuite le W se désintègre en un électron et un neutrino. Mais cette nouvelle théorie contenait aussi une nouvelle forme d'interaction faible non observée jusqu'alors, par échange d'une autre particule vecteur : le Z, particule électriquement neutre. La première forme fut donc appelée interaction faible par courant chargé et la seconde interaction faible par courant neutre.

Finalement, conformément aux prédictions de la théorie électrofaible, les interactions par courant neutre furent découvertes en 1973 au CERN (Laboratoire européen pour la physique des particules, Genève), puis les vecteurs de l'interaction faible, les W et le Z, furent observés en 1983, toujours au CERN. Ces différentes découvertes permirent de confirmer la validité de la théorie électrofaible, seule théorie permettant encore de nos jours d'expliquer l'interaction faible.

Caractéristiques

Comme son nom l'indique, l'interaction faible est l'interaction fondamentale qui a l'intensité la plus faible (en dehors de la gravitation). Elle s'applique à toutes les particules de matière (quarks, électrons, neutrinos, etc...). En particulier, les neutrinos, qui sont électriquement neutres et qui ne sont pas des quarks, ne sont donc sensibles qu'aux interactions faible et gravitationnelle, les deux interactions fondamentales les moins intenses. Ainsi, ils interagissent très faiblement avec la matière et sont donc très difficilement détectables: ils peuvent traverser la Terre sans subir la moindre interaction !

Les particules vecteurs de l'interaction faible par courant chargé sont les W+ et W-. Ils ont une charge électrique égale en valeur absolue à la charge de l'électron, l'un est positif l'autre négatif. Ils peuvent donc interagir avec des photons comme toute particule électriquement chargée. Leur masse est environ 86 fois celle d'un proton soit environ 3 fois la masse d'un atome de silicium.

La particule vecteur de l'interaction faible par courant neutre est le Z0 de charge électrique nulle. Sa masse est environ 97 fois celle d'un proton soit plus de 2 fois la masse d'un atome de titane.



Contrairement aux autres interactions fondamentales, les particules vecteurs de l'interaction faible, les W et le Z, ont des masses non-nulles, et même grandes. Ainsi, l'interaction faible est une interaction à courte portée, ce qui explique le confinement de ses effets à l'intérieur des protons et des neutrons. De plus, toujours à cause de leur masse élevée, les W et Z sont instables et ont des durées de vie très courtes, de l'ordre de 10-25 s ! Il est donc impossible d'observer un W ou un Z directement avant qu'il se désintègre : on l'observe indirectement par observation des particules qui restent après sa désintégration.

Dans le cadre de la théorie électrofaible (la seule théorie actuellement en parfait accord avec les résultats expérimentaux), deux interactions fondamentales différentes, une interaction d'``isospin faible'' et une interaction d'``hypercharge faible'', se mélangent pour donner naissance aux deux interactions fondamentales physiques (donc observables) : les interactions électromagnétique et faible. L'électrodynamique quantique est contenue dans la théorie électrofaible. Par contre, il n'existe aucune théorie cohérente permettant d'expliquer l'interaction faible seule. Cependant, la théorie de Fermi est une bonne approximation à basse énergie de la partie faible par courant chargé de la théorie électrofaible. Il n'est donc pas possible d'expliquer l'interaction faible sans tenir compte de l'électromagnétisme.

Dans la théorie électrofaible, l'interaction d'isospin faible a trois particules vecteurs, les W+, W- et W3, et celle d'hypercharge faible une seule, le B. Lors du mélange de ces deux interactions, les deux particules W3 et B (inobservables) se mélangent pour aboutir aux deux particules vecteurs observables que sont le photon et le Z. Ainsi, le Z et le photon ont des natures assez proches bien que la masse élevée du Z et la masse nulle du photon leur donnent des propriétés assez différentes.

Manifestations courantes

A priori il semble difficile de trouver des manifestations courantes de l'interaction faible, sa portée étant inférieure à la taille d'un proton ou d'un neutron et son intensité étant très faible... Pourtant, elle est à l'origine de nombreux phénomènes très courants mais auxquels nous ne sommes pas sensibles.

Une des manifestations les plus courantes de l'interaction faible est la radioactivité bêta. Contrairement à ce que beaucoup pensent, la radioactivité est un phénomène tout à fait naturel et très répandu dans notre environnement immédiat. Par exemple, le fameux carbone 14 (14C), très connu pour être utilisé pour évaluer l'âge d'objets archéologiques, est un atome radioactif bêta présent naturellement dans l'atmosphère. Autre exemple, le potassium 40 (40K), qui est lui aussi un atome radioactif bêta, est présent naturellement dans l'eau. Or, un corps humain étant en grande partie constitué d'eau, il contient une certaine quantité de 40K, ce qui le rend naturellement radioactif bêta. Ainsi, un humain adulte émet naturellement une radioactivité bêta de l'ordre de quatre cent millions de désintégrations par jour, uniquement due au 40K. L'interaction faible se manifeste donc très couramment dans notre corps !

Autre manifestation très courante de l'interaction faible dans l'univers : les étoiles. En effet, l'énergie utilisée par les étoiles pour briller provient principalement de la combustion de l'hydrogène en hélium. Or, cette combustion nécessite tout d'abord la production d'hydrogène lourd, ou deutérium, par fusion de deux atomes d'hydrogène ordinaire. Cette fusion n'est possible que par désintégration bêta d'un des deux noyaux d'hydrogène. L'interaction faible contribue donc aussi à faire briller le Soleil.

Lors de ces désintégrations bêta de l'hydrogène dans le coeur du Soleil, des neutrinos sont émis. Ces neutrinos peuvent donc sortir sans difficulté du Soleil, arriver jusqu'à nous, traverser la Terre et continuer leur voyage dans l'espace. Lors de leur passage, ils nous traversent aussi sans que nous le sentions : ainsi, plus de cent mille milliards de neutrinos provenant du Soleil traversent chacun de nous chaque seconde ! Voilà une autre manifestation courante de l'interaction faible...