Du soleil la terre oscillations de neutrinos Groupe

Du soleil à la terre… oscillations de neutrinos Groupe Neutrino Université de Genève 1. Que sont les neutrinos? 2. Les questions qu’ils posent 3. La masse des neutrinos et leurs oscillations 4. Le futur 1

Neutrinos: la naissance d’une idée e 1930 Lettre de Wolfgang Pauli 4 Décembre 1930 Dear Radioactive Ladies and Gentlemen, Le spectre des e- dans la d. N d. E Désintégration : few Me. V E As the bearer of these lines, to whom I graciously ask you to listen, will explain to you in more detail, how because of the "wrong" statistics of the N and Li 6 nuclei and the continuous beta spectrum, I have hit upon a desperate remedy to save the "exchange theorem" of statistics and the law of conservation of energy. Namely, the possibility that there could exist in the nuclei electrically neutral particles, that I wish to call neutrons, which have spin 1/2 and obey the exclusion principle and which further differ from light quanta in that they do not travel with the velocity of light. The mass of the neutrons should be of the same order of magnitude as the electron mass and in any event not larger than 0. 01 proton masses. The continuous beta spectrum would then become understandable by the assumption that in beta decay a neutron is emitted in addition to the electron such that the sum of the energies of the neutron and the electron is constant. . . I agree that my remedy could seem incredible because one should have seen those neutrons very earlier if they really exist. But only the one who dare can win and the difficult situation, due to the continuous structure of the beta spectrum, is lighted by a remark of my honoured predecessor, Mr Debye, who told me recently in Bruxelles: "Oh, It's well better not to think to this at all, like new taxes". From now on, every solution to the issue must be discussed. Thus, dear radioactive people, look and judge. Unfortunately, I cannot appear in Tubingen personally since I am indispensable here in Zurich because of a ball on the night of 6/7 December. With my best regards to you, and also to Mr Back. Your humble servant. W. Pauli Wolfgang Pauli 2

Neutrinos detection difficile 1953 Reines et Cowan (Nobel 1995) Expérience au voisinage d’un réacteur nucléaire. La cible de détection est constituée de 400 litres d’une solution de fluorure de Cadmium dans l’eau. Les (anti)neutrinos du réacteur interagissent avec les protons de l’eau en donnant un positon (anti-electron) et un neutrino. On détecte en même temps les produits de l’annihilation du positon (e+ + e- ) et (deux ) de capture du neutron par le cadmium. 4 photons sont détectés dans un intervalle de 15 microseconds. Cette réaction est très rare ce qui indique le parcours moyen de ces neutrinos dans la matière est extrêmement long (~une année lumière dans l’eau!) 3

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Une propriété étonnante: 1957: L’ hélicité des neutrinos est mesurée (M. Goldhaber et al): Les neutrinos sont ‘gauchers’ Les anti- neutrinos sont ‘droitiers’ violation de la symétrie par renversement du systeme d’axes!!!! (parité) e e e Ceci n’est jamais observé! les photons sont polarisés (ils tournent plus dans une direction que dans l’autre) 5

une parenthèse: Symétries de la physique ne doit pas dépendre de la façon dont nous (les hommes) la regardons: par exemple, la loi de Newon ne dépend pas du choix de l’origine des temps (seules différences de temps interviennent) ne dépend que des vitesses relatives (invariance par cht de repère Galiléen) ne dépend pas du choix des axes de l’espace (invariance par rotation) et bien sur il ne dépend pas de l’orientation des axes z z ou y x 6

Symétrie de parité: la physique s’exprime aussi bien dans des axes droits que gauche ou encore si on change x -x y -y z -z donc mais le moment cinétique lui, ne change pas de signe. Donc change de signe. De la même façon si on change x x y -y z z (symétrie miroir) change de signe. 7

on étudie les désintégrations béta du 60 Cobalt dans un champ magnétique émet un electron (et un neutrino) Le cobalt a une charge et un moment cinétique qui s’aligne sur le champ magbétique Observation: (Wu 1956) les éléctrons sont émis de préférence à l’opposé du champ magnetique! B S B dans la réaction beta, le moment cinétique de l’électron est anti-aligné sur sa quantité de mouvement, et cette préférence s’explique par la conservation du moment cinétique. l’electron est « GAUCHER » mais ceci viole evidemment le principe d’invariance parité! 8

B S symétrie B favorisée = situation la plus fréquente défavorisée! = situation la moins fréquente La désintégration beta fait une différence entre la gauche et la droite! Prix Nobel: Mme Wu ; Lee and Yang Ceci nous permet de communiquer à un extra terrestre ce que sont la gauche et la droite. 9

en fait NON supposons maintenant que nous changions à un monde d’anti-matière = seules charges changent B matière S antimatière B favorisée = situation la plus fréquente défavorisée! = situation la moins fréquente La désintégration beta fait une différence entre la matière et l’antimatière (on observe ceci par ex. dans les désintégrations des muons) l’electron est ‘gaucher’, et le positon est ‘droitier’ ! 10

supposons maintenant que nous faisions à nouveau une symétrie B anti-matière S symétrie antimatière B favorisée = situation la plus fréquente défavorisée! = situation la moins fréquente La désintégration beta ne fait pas la différence entre matière et antimatière si on change la droite et la gauche en meme temps. symétrie C. P (on observe ceci par ex. dans les désintégrations des muons) quand on fait tourner le courant dans le sens trigonométrique la situation la plus probable est l’émission de l’electron vers le bas. et on ne peut communiquer la gauche de la droite que si on suppose que l’extraterrestre est fait de matière comme nous! 11

Il existe cependant un effet (assez petit) qui distingue matière et antimatière la particule K 0 L (neutre et invariante par symétrie CP!) se désintègre plus souvent en e+ que e- ce qui représente une très faible violation de la symétrie entre matière et anti-matière! « mon cher ami… vous faites un faisceau de K 0 L. la particule légère chargée produite le plus souvent est de l’antimatière… » 12

1959 Ray Davis montrait expérimentalement que les (anti) neutrinos issus de réacteurs nucléaires n’intéragissent pas avec le chlore pour produire de l’argon. reacteur : n p e- e ces e ne font pas ceci: e + 37 Cl 37 Ar + e- ce sont des anti-neutrinos il avaient été découverts ainsi: dans les réactions nucléaires est conservé. 13

Propriétés des Neutrinos 1960 En 1960, Lee et Yang realisent que la raison pour laquelle la réaction - e- n’est jamais observée (limite actuelle 10 -11) c’est qu’il y a deux types de neutrinos différents: Lee and Yang et e 14

Deux Neutrinos 1962 Premier faisceau de neutrinos artificiels Ces neutrinos Schwartz W ne produisent que des muons, pas d’électrons N quand ils intéragissent avec la matière Lederman Steinberger - - hadrons 15

Neutrinos au CERN Le ‘courant neutre’ La chambre à bulles Gargamelle CERN Découverte d’une nouvelle intéraction: + e + N + X (pas de muon, pas d’électron) Jusque là les neutrinos n’apparaissaient qu’en compagnie d’un électron ou d’un muon! 16

1973 Gargamelle Choc élastique d’un neutrino sur un électron dans le liquide. Première apparition du boson Z Z e- e- La naissance expérimentale du ‘Modèle Standard’ 17

Le Modèle Standard: 3 familles de quarks Et leptons de spin ½ qui interagissent avec des bosons de spin 1 ( , W&Z, gluons) leptons chargés leptons neutres = neutrinos quarks e mc 2=0. 0005 Ge. V e mc 2 <3 e. V d mc 2=0. 005 Ge. V u mc 2=0. 003 Ge. V Famille 1 t 0. 106 Ge. V 1, 77 Ge. V t <3 e. V étrange <3 e. V beau 0. 200 Ge. V charmé 1. 5 Ge. V Famille 2 5 Ge. V top mc 2=175 Ge. V Famille 3 18

Symétrie remarquable: Chaque quark apparaît avec 3 couleurs ce qui fait que la somme des charges de chaque famille est: Electron charge -1 Neutrino charge 0 -1 + 0 + 3 x ( 2/3 - 1/3) = 0 Ceci est une condition nécessaire pour la stabilité de l’univers 3 Quarks up charge 2/3 3 Quarks down charge -1/3 19

1989 Le nombre de Neutrinos collider experiments: LEP: e+ e- Z • Bien que la théorie demande des familles avec Q=0, elle ne demande rien sur le nombre de familles. . Il pourrait en avoir des milliers. N est déterminé pas la fréquence de production des Z à LEP. Les désintégrations en neutrinos sont invisibles. Plus de désintégrations sont invisibles et moins sont visibles. La production de Z visibles décroit de 13% par famille de neutrinos supplémentaire. in 2001(fin du LEP): N = 2. 984 0. 008 20

Mais quelle est la masse des neutrinos? Rappels: la masse d’un electron est mc 2 = 0, 5 Me. V La masse d’un proton est 2000 fois plus grande La masse de 3 1026 electrons ou 6 1023 protons est un gramme Combien faut il de neutrinos pour faire un gramme de neutrinos? Cette question a un certain intérêt pour comprendre si les neutrinos peuvent être à l’origine de la masse manquante ou cachée de l’univers! 21

Prenons la désintégration beta ou l’électron a l’energie la plus basse possible: Tritium (un proton et deux neutrons) 3 H e- e Emax = 18 Ke. V Emax dépend de la masse du neutrino 3 H 3 He 22

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Histoire des étoiles -- phase I Une étoile de masse moyenne comme le soleil *brule* son hydrogène par le cycle suivant p p p n Deuterium e+ e Ce cycle produit de l’énergie: 2. m(p) > m(D) + m(e+) les positons s’annihilent et les diverses particules ont de l’énergie cinétique qui finit par sortir du soleil sous forme de lumière au bout de plusieus milliers d’années Ce cycle produit aussi beaucoup de neutrinos. 24

Neutrinos Ray Davis venus du ciel depuis ~1968 Nobel 2002! La détection des neutrinos du soleil avec 600 tonnes d’eau de Javel • le soleil est un réacteur nucléaire par fusion une des réactions : pp pn e+ e Détection: e + 37 Cl 37 Ar + e- quelques atomes d’argon par jour! Détecteur de la mine de Homestake dans le Dakota Les neutrinos ont bien été observés ainsi ce qui démontre que le soleil fonctionne par réactions nucléaires! 25

Mais on en observe trois fois moins qu’attendu! Le ‘puzzle’ des neutrinos solaires depuis 1968! solutions: 1) le soleil n’est pas ce qu’on croit. Ou 2) les neutrinos oscillent 26

Définitions de neutrinos Le neutrino electron est présent en association avec un electron (ex: des. beta) Le neutrino muon est présent en association avec un muon (des. de pion) Le neutrino tau est présent en association avec un tau (W t ) Ces neutrinos de ‘saveur’ ne sont pas des états quantiques de masse bien définie (mélange des neutrinos) (ceci veut dire que l’opérateur de génération des masses de particules – qui nous est d’ailleurs complètement inconnu – n’est pas diagonal dans la base des interactions faibles. Ses états propres sont des ‘mass-neutrinos’ 1 2 3 ) Le mass-neutrino qui est le plus semblable à un neutrino electron est 1 Le mass-neutrino qui est entre les deux est 2 Le mass-neutrino qui est le plus dissemblable à un neutrino electron est 3 27

Mélange de neutrinos Bruno Pontecorvo 1957 28

Oscillations de neutrinos (Mécanique Quantique leçon 5) source detection propagation L L’ interaction faible Produit des neutrinos de ‘saveur’ Les états propres de masse (mass-neutrinos) se propagent La détection se fait à nouveau par interaction faible N - C Par ex. pion p ¦ > = a ¦ 1 > ¦ 2 > ¦ 3 > ¦ (t)> = a ¦ 1 > exp( i E 1 t) ¦ 2 > exp( i E 2 t) ¦ 3 > exp( i E 3 t) t = proper time L/E ou e N e- C ou t N t- C P ( e) = ¦ < e ¦ (t)>¦ 2 Hamiltonien= E = sqrt( p 2 + m 2) = p + m 2 / 2 p Pour une quantité de mvt donnée les états propres de la propagation dans le vide sont les États propres de masse! 29

Oscillation Probability Hamiltonien= E = sqrt( p 2 + m 2) = p + m 2 / 2 p Pour une quantité de mvt donnée les états propres de la propagation dans le vide sont les États propres de masse! 30

Oscillations de neutrinos Après de longues années de recherche (depuis 1968! il est établi depuis 1998 que les neutrinos changent de caractère en voyageant dans l'espace. première observation: neutrinos produits dans le soleil! (150 000 km) seconde observation: neutrinos produits dans l'atmosphère et traversant toute la terre (13000 km) observation récente 2003 (exp. K 2 K) avec des neutrinos d'un faisceau fait par l'homme. Observation d'un phénomène quantique sur des distances de centaines à millions de kilomètres! 31

Oscillations: 1. Disparition du neutrino d’origine Ex. P ( ) = ¦ < ¦ (t)>¦ 2 A faible distance P=1 Pour deux neutrinos et sin 22 q=1 Premier minimum: 1. 27 m 2 L/E = p/2 Pour E = 1 Ge. V et m 2 = 3 10 -3 e. V 2 L= 500 km. 32

neutrinos solaires e Soleil = réacteur à fusion nucléaire seuls e produits Differents preocessus > Spectre en energie De nombreuses expériences on répété les mesures de Mr Davis. . 33

Missing Solar Neutrinos Toutes les expériences voient un déficit de neutrinos solaires. Donc: Le modèle du soleil est faux NON car certaines expérience sont sensibles à tout le flux qui est proportionnel à la luminosité du soleil – bien connue! Les expériences sont toutes fausses NON Ou: Les e se transforment OUI, seule explication possible 34

SNO detector only e equally e+ t z Aim: measuring non e neutrinos in-equally in a pure solar e beam ton of D 20 e + z How? Three possible neutrino reactionzin 1000 heavy water: 0. 1 ( t ) z 12 m diam. z 9456 PMTs 35

Charged current events are depleted (reaction involving electron neutrinos) Neutral current reaction agrees with Solar Model (flavour blind) SSM is right, neutrinos oscillate! 36

Kamland 2002 37

Kam. LAND: disappearance of antineutrinos from reactor (few Me. V at ~100 km) 38

Kamland 2004 39

Kamland 2004 40

2003 2005 Solar oscillation parameters now at 10 -20% precision. 41

Atmospheric Neutrinos Path length from ~20 km to 12700 km 42

q 13 : Best current constraint: CHOOZ e disappearance experiment R = 1. 01 2. 8%(stat) 2. 7%(syst) Pth= 8. 5 GWth, L = 1, 1 km, M = 5 t (300 mwe) World best constraint ! e x @ m 2 atm=2 10 -3 e. V 2 sin 2(2θ 13)<0. 2 M. Apollonio et. al. , Eur. Phys. J. C 27 (2003) 331 -374 (90% C. L) 43

CONFIRMATION: les neutrinos atmosphériques. 44

Neutrinos Atmosphériques Distance entre production et détection de ~20 km à 12700 km 45

Super-K detector z Cerenkov à Eau z 50000 tonnes d’eau ultrapure 41. 3 m 39. 3 m C Scientific American z 10000 Photo Multiplicateurs de 80 cm de diamètre à 10 k$ pièce) Koshiba (Nobel 2002) 46

Effet Cerenkov La vitesse de la lumière dans l’eau est ou c/n n est l’indice de réfraction =1, 4 pour l’eau. Les particules de haute énergie E>>m vont à une vitesse quasiment egale à celle de la lumière Et donc supérieure à celle des photons visibles dans l’eau. Il s’en suit un effet semblable au Bang d’un avion supersonique: des photons sont émis dans un cone d’angle cos q = 1/n Qui se projette en couronne sur les parois du détecteur. q particule Muons: peu de diffusion -> couronne nette Electrons: beaucoup de diffusion -> couronne diffuse 47

Séparer et e N - C e N e- C 48

Atmospheric : up-down asymmetry Super-K results e up down 49

Atmospheric Neutrinos Super. Kamiokande Atmospheric Result 50

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Les neutrinos ont donc une masse (il faut une masse pour pouvoir se transformer en vol) C’est sans doute la découverte la plus fscinante des dix dernières années. Ces masses sont TRES differentes de celles des autres particules! mc 2 Les masses des neutrinos semblent avoir leur origine Dans des processus de trés haute énergies trés proches du Big Bang 53

La vie d’une étoile II vers la fin de sa vie, l’étoile a brulé tout son hydrogéne et devient une géante rouge. . Un effondrement gravitationel peut se produire après lequel progressivement les noyaux de plus en plus lourds He, C, N, O, … jusqu’au fer sont produits par réactions de fusion nucléaire. si ce noyau de fer résiduel est assez massif il va s’éffondrer par capture des électrons p+e- n + e tous les electrons et tous les protons disparaissent, il ne reste plus que des neutrons… un état de la matière d’une densité égale à la densité nucléaire ou même un trou noir! ce processus violent et pratiquement instantané SUPERNOVA émet un très grand nombre de neutrinos! 54

En mars 1987, une étoile du nuage de Magellan donne lieu à une supernova. (SN 1987 A) ce phénomène est observé dans un observatoire du Chili, mais 10 heurs avant que les téléscopes ne puissent observer le phénomène lumineux, les neutrinos avaient été détectés! (Kamiokande et IMB, Cherenkovs à eau) 55

tous les neutrinos (11 + 8) ont été émis en quelques secondes! 56

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Les neutrinos du Big-bang… Il est maintenant accepté que l’Univers a commencé par un Big Bang. Comme pour une supernova, le Big Bang a produit énormément de neutrinos. Les neutrinos permettent à un système de se refroidir plus ou moins rapidement (l’énergie s’échappe). La topologie de l’univers et ses irrégularités dpendent de la masse des neutrinos. 59

Formation of Structure Smooth Structured Structure forms by gravitational instability of primordial density fluctuations A fraction of hot dark matter suppresses small-scale structure 60

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Halzen adding hot neutrino dark matter erases small structure m = 0 e. V m = 1 e. V m = 7 e. V m = 4 e. V 62

Halzen Authors Sm /e. V / Priors Recent Cosmological Limits on. Data Neutrino Masses (limit 95%CL) Spergel et al. (WMAP) 2003 0. 69 [astro-ph/0302209] WMAP, CMB, 2 d. F, s 8, HST Hannestad 2003 [astro-ph/0303076] 1. 01 WMAP, CMB, 2 d. F, HST Tegmark et al. 2003 [astro-ph/0310723] 1. 8 WMAP, SDSS Barger et al. 2003 [hep-ph/0312065] 0. 75 WMAP, CMB, 2 d. F, SDSS, HST Crotty et al. 2004 [hep-ph/0402049] 1. 0 0. 6 WMAP, CMB, 2 d. F, SDSS & HST, SN Hannestad 2004 [hep-ph/0409108] 0. 65 WMAP, SDSS, SN Ia gold sample, Ly-a data from Keck sample Seljak et al. 2004 [astro-ph/0407372] 0. 42 WMAP, SDSS, Bias, Ly-a data from SDSS sample NB Since this is a large mass this implies that the largest neutrino mass is limit/3 63

Le Modèle Standard: 3 familles de quarks et leptons de spin ½ qui interagissent avec des bosons de spin 1 ( , W&Z, gluons) leptons chargés leptons neutres = neutrinos quarks e mc 2=0. 0005 Ge. V e t 0. 106 Ge. V t mc 2 ? =? <1 e. V d s étrange mc 2=0. 005 Ge. V u mc 2=0. 003 Ge. V Famille 1 1, 77 Ge. V 0. 200 Ge. V c charmé 1. 5 Ge. V Famille 2 <1 e. V b =beau 5 Ge. V t top mc 2=175 Ge. V Famille 3 64

Conservation des nombres leptonique et baryonique Vous et moi sommes faits d’ électrons et quarks Les électrons et les quarks sont élémentaires pour autant que nous sachions, ils n’ont pas de structure. Les électrons et quarks se conservent dans les réactions chimiques et physiques. Leur nombre n’a pas varié depuis 10 -9 secondes après le commencement de l’univers, et ils nous survivront longtemps après notre mort…. Rien ne se perd, rien ne se crée… ? 65

UN MYSTERE…. . Big Bang ENERGIE Il devrait y avoir autant de matière que d’anti-matière dans l’univers… où est passée l’anti-matière? Particule + anti-particule Pour résoudre ce problème évident il faut (Sakharov) 1. Des conditions hors équilibre 2. Violation du nombre letponique ou baryonique (B-L est conservé) 3. Violation de la symétrie CP Le Big Bang nous fournit (1) Il est possible que les neutrinos nous procurent (2) ET (3) L’effet est faible (baryons / photons ~ 10 -9) 66

Pour briser la symétrie matière-antimatière il faut par exemple pouvoir transformer de la matière en antimatière. Pour les eletrons et les quarks c’est impossible a cause de la conservation de la charge electrique! e- e+ Pour les neutrinos c’est impossible si ils sont de masse nulle (des particules de masse nulle ne se transforment pas) De plus il est fort bien vérifié que l’interaction faible ne produit que des neutrinos droits et des antineutrinos gauches. La conservation de la matière résulte ici de la conservation du moment angulaire. Electron charge -1 3 Quarks up charge 2/3 Neutrino charge 0 3 Quarks down charge -1/3 Si les neutrinos ont une masse ce n’est plus le cas Des transitions neutrino-> antineutrino deviennent possibles … bien qu’extrêmement rares 67

VIOLATION des symétries T , CP pour les LEPTONS L’asymétrie matière antimatière de l’Univers requiert violation de CP ou T Celle des quarks (bien connue depuis 1964) ne suffit pas Boris Kayser 1014 ee- NL NR L R R L e+ R e+ L 106 10 -2 mécanisme de balançoire 68

Pourrons nous observer la violation de C. P ou T par les neutrinos? 69

Oscillation maximum 1. 27 m 2 L / E =p/2 Atmospheriqu m 2= 2. 5 10 -3 e. V 2 L = 500 km @ 1 Ge. V Solaire m 2 = 7 10 -5 e. V 2 L = 18000 km @ 1 Ge. V Oscillations de neutrinos de 250 Me. V Consequences des oscillations à trois familles P ( ↔ e) I Quand les deux oscillations (longue et courte) ont la même intensité elles interfèrent. Le signe est différent pour Ceci entraine violaation de l’invariance CP ou T. CP: P ( ↔ e) ≠ P ( ↔ e) T : P ( ↔ e) ≠ P ( e ↔ ) 70

SPL Frejus Ge n ev e CERN 130 km SPL @ CERN 2. 2 Ge. V, 50 Hz, 2. 3 x 1014 p/pulse à 4 MW Now under R&D phase 40 kt 400 kt Italy 71

BETA Beam Une idée nouvelle de P. Zucchelli produit 6 He++, accelère et stocke (100 Ge. V/u) 6 He++ 6 Li+++ e e Q=3. 5078 Me. V T/2 = 0. 8067 s anti- e pur à 600 Me. V ou: e pur à 600 Me. V 72

Beta Beam (P. Zucchelli) M. Lindroos et al. 73

Combination of beta beam with low energy super beam Unique to CERN: need few 100 Ge. V accelerator (PS + SPS will do!) experience in radioactive beams at ISOLDE many unknowns: what is the duty factor that can be achieved? (needs < 10 -3 ) combines CP and T violation tests e ( +) (T) e (p+) (CP) e ( -) (T) e (p-) 74

-- Neutrino Factory (Geer, Palmer) CERN layout 1016 p/s 1. 2 1014 /s =1. 2 1021 /yr Nouvelle technique d’accélerateur 0. 9 1021 /yr 3 1020 e/yr 3 1020 /yr e+ e _ oscillates e interacts giving - WRONG SIGN MUON interacts giving 75

Les 30 années passées…. et les 30 années futures LEP a vérifié le Modèle Standard des particules et mis en oeuvre un fantastique pouvoir prédictif. (1989 -1994!) Entretemps…. les neutrinos, après avoir fourni au MS sa première pierre expérimentals (Courants Neutres, 1973) étaient en train d’ouvrir la porte sur le monde au delà (masses et oscillations de neutrinos) Ceci pourrait donner deux ingrédients essentiels pour comprendre comment, du Big Bang, l’univers a évolué vers notre monde fait de matière. -- la non-conservation du nombre de leptons (et baryons) -- la violation de l’invariance par renversement du temps pour les leptons Obtenir une vérification expérimentale de ces idées théoriques va necessiter de nombreuses années d’expérimentation délicate et précise! LE CERN commence à considérer serieusement un important programme neutrino après le LHC 76