Les neutrinos la rescousse 1 Qui sont les

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Les neutrinos à la rescousse 1. Qui sont les neutrinos? 2. Les questions qu’ils

Les neutrinos à la rescousse 1. Qui sont les neutrinos? 2. Les questions qu’ils posent 3. La masse des neutrinos et leurs oscillations 4. Les questions auxquelles ils peuvent répondre 5. Le futur http: //dpnc. unige. ch/users/blondel/conferences/cours-neutrino/physique-aujourdhui/ Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Neutrinos: la naissance d’une idée e 1930 Lettre de Wolfgang Pauli 4 Décembre 1930

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 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève Wolfgang Pauli

Neutrinos detection difficile 1953 Reines et Cowan (Nobel 1995) Expérience au voisinage d’un réacteur

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!) Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Une propriété étonnante: 1957: L’ hélicité des neutrinos est mesurée (M. Goldhaber et al):

Une propriété étonnante: 1957: L’ hélicité des neutrinos est mesurée (M. Goldhaber et al): Les neutrinos sont ‘gauchers’ (tournent dans le sens des aiguilles d’une montre) Les anti- neutrinos sont ‘droitiers’ (tournent dans le sens de la rotation de la terre) violation de la symétrie par renversement du systeme d’axes!!!! (parité) e e e Ceci n’est jamais observé! Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

une parenthèse: Symétries de la physique ne doit pas dépendre de la façon dont

une parenthèse: Symétries de la physique ne doit pas dépendre de la façon dont nous (les humains) la regardons: par exemple, la loi de Newton 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 translation et rotation) et bien sur elle ne dépend pas de la chiralité des axes z z ou y x Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Symétrie de parité: la physique s’exprime aussi bien dans des axes droits que gauche

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 uniquement un axe x x y -y z z (symétrie miroir) change de signe. miroir L’image d’un gaucher dans un miroir est un droitier! Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

on étudie les désintégrations béta du 60 Cobalt dans un champ magnétique 60 Co

on étudie les désintégrations béta du 60 Cobalt dans un champ magnétique 60 Co émet un electron (et un neutrino) Le noyau de 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 dans la réaction beta, le moment cinétique de l’électron est anti-aligné sur sa quantité de mouvement, I B La préférence observée s’explique par la conservation du moment cinétique. l’électron émis dans la désintégration beta est « GAUCHER » mais ceci viole évidemment le principe d’invariance parité! Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

B S symétrie B Situation permise = situation la plus fréquente Situation interdite =

B S symétrie B Situation permise = situation la plus fréquente Situation interdite = situation la moins fréquente La situation favorisée est en pointillés La désintégration beta fait une différence entre la gauche et la droite! Prix Nobel: Mme Wu ; Lee and Yang Ceci devrait nous permettre, par exemple, de communiquer à un extra terrestre ce que sont la gauche et la droite. Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

en fait NON: supposons maintenant que nous changions à un monde d’anti-matière = seules

en fait NON: supposons maintenant que nous changions à un monde d’anti-matière = seules charges changent B matière S antimatière I favorisée = situation la plus fréquente B Le courant créé par des positrons est en sens inverse Interdit = situation la moins fréquente le positron ne peut pas être gaucher…. La situation favorisée est en pointillés 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’ ! Mais si on fait une symétrie mirroir ET un changement matière-anti-matière RIEN NE CHANGE Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

supposons maintenant que nous faisions à nouveau une symétrie B S anti-matière + miroir

supposons maintenant que nous faisions à nouveau une symétrie B S anti-matière + miroir 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 même temps. symétrie C. P qui est équivalente à la symétrie par renversement du sens du temps T (on observe ceci par ex. dans les désintégrations des muons) et on ne peut communiquer la gauche de la droite que … si on suppose que l’extraterrestre est fait de matière comme nous! Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Il existe cependant un effet (assez petit) qui distingue matière et antimatière la particule

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- 1964 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… » Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

1959 Ray Davis montrait expérimentalement que les (anti) neutrinos issus de réacteurs nucléaires n’interagissent

1959 Ray Davis montrait expérimentalement que les (anti) neutrinos issus de réacteurs nucléaires n’interagissent 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. Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Propriétés des Neutrinos 1960 En 1960, Lee et Yang realisent que la raison pour

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 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Deux Neutrinos 1962 Premier faisceau de neutrinos artificiels Ces neutrinos Schwartz W ne produisent

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 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Neutrinos au CERN Le ‘courant neutre’ La chambre à bulles Gargamelle CERN Découverte d’une

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! Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

1973 Gargamelle Choc élastique d’un neutrino sur un électron dans le liquide. Première apparition

1973 Gargamelle Choc élastique d’un neutrino sur un électron dans le liquide. Première apparition du boson Z Z e- La naissance expérimentale du Alain Blondel Groupe Neutrino ‘Modèle Standard’ Université de Genève e-

Le Modèle Standard: 3 familles de quarks Et leptons de spin ½ qui interagissent

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 0. 106 Ge. V 1, 77 Ge. V <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 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Symétrie remarquable: Chaque quark apparaît avec 3 couleurs ce qui fait que la somme

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 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

1989 Le nombre de Neutrinos LEP: • Bien que la théorie demande des familles

1989 Le nombre de Neutrinos LEP: • 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 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Mais quelle est la masse des neutrinos? Rappels: la masse d’un electron est mc

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! Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

La masse !? ! Pour un object habituel, la masse est simplement approx. la

La masse !? ! Pour un object habituel, la masse est simplement approx. la somme des masses des nucléons qui le composent (nombre de protons et neutrons) – on l’appelle aussi quantité de matière La masse intervient à la fois pour décrire l’inertie (Force = m x Acceleration ) et l’attraction de gravitation Poids = m x g (ce qui est en soi un mystère…) de façon relativiste la masse est la quantité qui différentie l’énergie de la quantité de mouvement E 2 = (mc 2)2 + (pc)2 (à l’arrêt cela devient E=mc 2) ou la différence entre la vitesse de la particule et la vitesse de la lumière v=c si m=o le temps pour une particule est (particule) = t(humain). E/m (infini si m=0) Pour un physicien des particules la masse est la force de l’interaction avec le boson de Higgs, ET la quantité qui décrit la possibilité d’une particule Gauche de se transformer en particule Droite Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

spin impulsion particule (typecharge helicité) e- + e- miroir = Parité, P Parité et

spin impulsion particule (typecharge helicité) e- + e- miroir = Parité, P Parité et charge = CP Parité x charge x renversement du temps = CPT e+ - e- + un électron qui change de direction (renversement du temps) produit le même courant qu’un positon qui va dans le sens d’origine Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

spin impulsion particule (typecharge helicité) e- + e- miroir = Parité, P si je

spin impulsion particule (typecharge helicité) e- + e- miroir = Parité, P si je me mets à la place d’on observateur situé dans un vaisseau spatial qui va à une vitesse supérieure à celle de l’électron, la vitesse de l’électron est renversée (il recule par rapport à moi) et je vois ceci: e- - e- + à l’arrêt si je vais à une vitesse V >> Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Dans le modèle Standard, les neutrinos n’ont pas de masse, seuls les neutrinos gauches

Dans le modèle Standard, les neutrinos n’ont pas de masse, seuls les neutrinos gauches interagissent seuls les antineutrino droits interagissent on ne peut pas transformer un neutrino gauche en neutrino droit les neutrinos droits n’existent pas. Il n’y a pas de problème. Pas de masse = pas de problème Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Histoire des étoiles -- phase I Une étoile de masse moyenne comme le soleil

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. Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Neutrinos Ray Davis venus du ciel depuis ~1968 Nobel 2002! La détection des neutrinos

Neutrinos Ray Davis venus du ciel depuis ~1968 Nobel 2002! La détection des neutrinos du soleil avec 600 tonnes de CCl 4 • le soleil est un réacteur nucléaire par fusion une des réactions : pp pn e+ e Détection ~1970: 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! Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Mais… on en observe trois fois moins qu’attendu! Le ‘puzzle’ des neutrinos solaires depuis

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 … mais de nombreuses mesures sur le soleil sont venues depuis confirmer le modèle du soleil… Ou 2) les neutrinos oscillent ce qui veut dire qu’ils ont une masse Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Définitions de neutrinos Le neutrino electron est présent en association avec un electron (ex:

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 ) 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 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Mélange de neutrinos Bruno Pontecorvo 1957 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Mélange de neutrinos Bruno Pontecorvo 1957 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Oscillations de neutrinos (Mécanique Quantique I leçon 5) source detection propagation L L’ interaction

Oscillations de neutrinos (Mécanique Quantique I 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 N - 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! Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Oscillations de neutrinos Après de longues années de recherche (depuis 1968! il est établi

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 100 km à millions de km! Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Super-K detector Cerenkov à Eau 50000 tonnes d’eau ultrapure 41. 3 m 39. 3

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

Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

SNO detector Aim: measuring non e neutrinos in a pure solar e beam How?

SNO detector Aim: measuring non e neutrinos in a pure solar e beam How? Three possible neutrino reaction in heavy water: only e equally e+ in-equally e + 0. 1 ( ) 1000 ton of D 20 12 m diam. 9456 PMTs Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Kamland Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Kamland Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Kamland 2008 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Kamland 2008 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

CONFIRMATION: les neutrinos atmosphériques. Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

CONFIRMATION: les neutrinos atmosphériques. Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

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

Neutrinos Atmosphériques Distance entre production et détection de ~20 km à 12700 km Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Super-K detector Water Cerenkov detector 50000 tons of pure light water 10000 PMTs 41.

Super-K detector Water Cerenkov detector 50000 tons of pure light water 10000 PMTs 41. 3 m 39. 3 m C Scientific American Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Séparer et e N - C e N e- C Alain Blondel Groupe Neutrino

Séparer et e N - C e N e- C Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Atmospheric n : up-down asymmetry Super-K results e up down Alain Blondel Groupe Neutrino

Atmospheric n : up-down asymmetry Super-K results e up down Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Atmospheric Neutrinos Super. Kamiokande Atmospheric Result Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Atmospheric Neutrinos Super. Kamiokande Atmospheric Result Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Les neutrinos ont donc une masse (il faut une masse pour pouvoir se transformer

Les neutrinos ont donc une masse (il faut une masse pour pouvoir se transformer en vol) C’est sans doute la découverte la plus fascinante 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 43

Les neutrinos ont une masse donc un neutrino gauche peut se transformer en neutrino

Les neutrinos ont une masse donc un neutrino gauche peut se transformer en neutrino droit! donc les neutrinos droits existent! mais…. ils n’interagissent pas (seulement par la gravitation) « stériles » et on ne peut pas les détecter… hmmm… hypothèses… 1. les neutrinos droits existent et ils ont la même masse que les gauches ‘Dirac’ (couplage au boson de Higgs comme tout le monde – mais pourquoi si petit? ) 2. en fait un neutrino gauche se transforme en antineutrino droit ‘Majorana’ (c’est possible car la charge est nulle) pas de nouvelle particule… mais une transition visible dans des réactions nucléaires très faibles 3. les deux. il existe des neutrinos droits mais ils ont des masses élevées et ils sont « stériles » c’est l’hypothèse la plus probable. Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

La matière noire courbe A = loi de Kepler la Galaxie d’Andromède M=masse contenue

La matière noire courbe A = loi de Kepler la Galaxie d’Andromède M=masse contenue à l’intérieur de l’orbite On observe B ce qui indique la masse augmente linéairement avec la distance L’univers contient un continuum de matière noire Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

MATIERE NOIRE -- des trous noirs? pas assez -- des ‘Jupiters’? pas assez --

MATIERE NOIRE -- des trous noirs? pas assez -- des ‘Jupiters’? pas assez -- des particules neutres supersymmétriques pas vues -- des neutrinos ‘actifs’? pas assez -- des neutrinos stériles? peut-être! Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Le Modèle Standard: 3 familles de quarks et leptons de spin ½ qui interagissent

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 0. 106 Ge. V 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 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Conservation des nombres leptonique et baryonique Vous et moi sommes faits d’ électrons et

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… ? Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

UN MYSTERE…. . Big Bang ENERGIE Il devrait y avoir autant de matière que

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. Une transition matière-antimatière 3. Violation de la symétrie entre matière et antimatière 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) Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Pour briser la symétrie matière-antimatière il faut par exemple pouvoir transformer de la matière

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 électrique! 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 des transitions neutrino-> antineutrino deviennent possibles … bien qu’extrêmement rares Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

VIOLATION des symétries T , CP pour les LEPTONS L’asymétrie matière-antimatière de l’Univers requiert

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 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

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

Pourrons nous observer la violation de C. P ou T par les neutrinos? Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Oscillation maximum 1. 27 m 2 L / E =p/2 Atmospheriqu m 2= 2.

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 ↔ ) Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

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Indication of νμ→νe appearance in the T 2 K EXPERIMENT 13 Alain Blondel –

Indication of νμ→νe appearance in the T 2 K EXPERIMENT 13 Alain Blondel – University of Geneva On behalf of the T 2 K collaboration Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

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6 candidates after all cuts! Nexp=1. 5 0. 3 for sin 22 13=0 Alain

6 candidates after all cuts! Nexp=1. 5 0. 3 for sin 22 13=0 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

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-- Neutrino Factory (Geer, Palmer) CERN layout 1016 p/s 1. 2 1014 /s =1.

-- 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 Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Part of Laguna study INO ~7000 km (Magic distance) Alain Blondel Groupe Neutrino Université

Part of Laguna study INO ~7000 km (Magic distance) Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève

Getting our feet on (under) the ground: CERN EOI LAGUNA –LBNO new FP 7

Getting our feet on (under) the ground: CERN EOI LAGUNA –LBNO new FP 7 design study 2011 -2014 2 main options Short distance: 130 km Memphys at Frejus SPL+beta beam CP and T violation CN 2 PY Long distance: 2300 km Pyhasalmi Fine grain detector e. g. 20 kton fid. Larg + Magnetized detector Long distance allows rapid sensitivity to sign( m 213) 1 st step easier: SPS C 2 PY consortium 1 st priority Nextsteps: HP 50 Ge. V PS … …or neutrino factory Medium term plans include long term plans!

Les 30 années passées…. et les 30 années futures LEP a vérifié le Modèle

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 expliquer deux ingrédients essentiels pour comprendre comment, du Big Bang, l’univers a évolué vers notre monde fait de matière. -- l’existence de matière noire -- 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! La communauté scientifique (le CERN en Europe) commence à considérer sérieusement un important programme neutrino après le LHC Alain Blondel Groupe Neutrino Université de Genève