Energie (5) – Neutrino

L’invention du neutrino.

Désintégration  beta- : un neutron se transforme en proton. Un quark down devient up avec production d’un boson W qui se désintègre
en électron + antineutrino électronique.

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Amoureux des situations compliquées, friands d’énigmes tenaces qui désespèrent ses collègues, il [Wolfgang Pauli] en vient à se passionner pour l’épineux problème que constitue l’un des trois types de radioactivité, celle dite « bêta » : lorsqu’un noyau contient trop de neutrons pour être stable, il se transforme en un autre noyau en émettant un électron. Au cours de l’année 1930, cette transformation nucléaire semble encore très mystérieuse : les mesures indiquent que l’énergie de l’électron n’est pas chaque fois la même ; elle peut prendre une valeur quelconque, tantôt grande, tantôt petite, alors qu’on s’attendait à une valeur précise, toujours la même, qui corresponde justement à la différence d’énergie entre le noyau initial et le noyau final. Ces résultats semblent donc violer la loi de conservation de l’énergie, qui dans une telle situation, indique que l’énergie de l’électron doit être parfaitement déterminée. Pour sauver cette loi essentielle de la physique (que Niels Bohr était prêt à réduire à une loi valable seulement de façon statique dans le monde microscopique, c’est à dire non vraie pour chaque événement particulier mais seulement en moyenne), Wolfgang Pauli […] fait une hypothèse audacieuse : contrairement aux apparences, le noyau ne se désintègre pas en deux corps mais en trois. Une troisième particule, pense-t-il, est émise simultanément, qui emporte l’énergie manquante. Etienne Klein.Il était sept fois la révolution, Albert Einstein et les autres. 2005.

Le Nobel 2015 de physique met à l’honneur les neutrinos, à travers les deux lauréats, le Canadien Arthur McDonald, directeur de l’observatoire de Sudbury dans l’Ontario (Canada) et le Japonais TakaakiKajita directeur de l’observatoire de Super-Kamiokande, au Japon. A travers de nombreuses expériences menées conjointement, ils ont mis en évidence le fait que ces particules élémentaires sont dotées d’une très faible masse. Un résultat qui bouleverse notre vision du Cosmos, car même si cette masse est très faible, le nombre de neutrinos est si élevé qu’il faut tenir compte de ces particules dans le bilan de masse de l’Univers. En effet, rien que dans notre environnement, des millions de millions de neutrinos (ou milliers de milliard, soit 10¹²) traversent chaque seconde notre corps, sans heurter le moindre noyau de nos atomes, tout se passe comme si à leur échelle nous semblions surtout formés de vide. A cause de cette très faible interaction avec la matière, le neutrino est très difficile à attraper : sur 10 milliards de neutrinos de moyenne énergie qui traversent la Terre, un seul va interagir avec les atomes constituant la planète. C’est pourquoi les observatoires de neutrinos ressemblent donc à d’immenses réservoirs isolés sous terre ou sous l’eau pour éviter le bruit de fond généré par les rayons cosmiques. Les deux observatoires de Sudbury et de super Kamiokande sont d’ailleurs installés dans des mines sous des montagnes.

https://www.sciencesetavenir.fr/fondamental/le-nobel-de-physique-couronne-les-neutrinos_23318

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Le modèle standard : quarks, leptons et bosons. MissMJ via Wikimedia Commons

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Le travail proposé ici se rapporte à l’invention du neutrino par Wolfgang Pauli. Dans les années 1930 l’étude de la désintégration radioactive béta est confrontée à une énigme qui met en question une loi fondamentale de la physique : la conservation de l’énergie. Dans les années 1910 Lise Meitner, Otto Hahn, James Chadwick étudient cette désintégration radioactive et montrent que l’énergie cinétique de la particule béta (électron) émise n’a pas la valeur attendue. Elle prend en effet des valeurs variables entre zéro et la valeur attendue. Niels Bohr ira jusqu’à douter de la conservation de l’énergie au niveau microscopique… Pour résoudre le problème, Wolfgang Pauli formule en 1930 l’hypothèse de l’existence d’une seconde particule émise avec l’électron : le neutrino. Cette hypothèse sera appuyée par Enrico Fermi et le neutrino sera détecté expérimentalement par Fred Reines and Clyde Cowan, en 1956 seulement.

A consulter : https://fr.wikipedia.org/wiki/Neutrino

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Document de travail comportant les consignes de travail : [neutrino.pdf].

Documents exploités : [probleme.pdf] ; [pauli.pdf].

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Consigne 1 :

L’énergie libérée par la désintégration radioactive correspond à la perte de masse, selon l’équation d’Einstein : DE = Dm C²

DE = ( m_Po + m_e – m_Bi) c² = ( 209,936790 + 5,49.10^-4 – 209,938584 ) x 931,5

= – 1,16 MeV

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Consigne 2 :

La présentation des affiches avec une animation tableau permet la mise en commun des propositions et les ajustements nécessaires.

Cette énergie devrait correspondre à l’énergie cinétique de l’électron émis. Or on constate que, selon la désintégration, cette énergie cinétique peut prendre toutes les valeurs comprise entre 0 et 1,16 MeV alors qu’elle devrait être toujours la même.

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Consigne 3 :

Animation tableau pour la mise au point des propositions.

Pauli émet l’hypothèse qu’une autre particule est émise en même temps que l’électron. L’énergie libérée par la réaction se partage alors entre l’énergie cinétique l’électron et celle de la nouvelle particule.

On pourra compléter éventuellement avec un magistral en situation sur la description du neutrino, l’interaction faible, le modèle standard…

On pourra également exploiter deux extraits vidéo de la conférence d’Etienne Klein(Conférence Cyclope – CEA Saclay – 2012) : «  De quoi l’énergie est-elle le nom ? ».

[neutrino.mp4] et [noether.mp4].

En 1915, Emmy Noether démontre (en simplifiant) que la conservation de l’énergie correspond à l’invariance des lois de la physique. Etienne Klein illustre le propos avec l’exemple de la gravitation : si la loi de la gravitation fluctuait on pourrait créer de l’énergie…

Emmy Noether (1882 – 1935)