Radioactivité Bêta et Neutrino : Une Histoire de Masse et de Spin

Une énigme dans la désintégration bêta

Au début du XX^e siècle, les physiciens se sont heurtés à une énigme : lors d’une désintégration bêta, un neutron se transforme en proton tout en émettant un électron. Cependant, l’énergie totale mesurée semblait violer le principe de conservation de l’énergie. En 1930, pour sauver ce principe fondamental, Wolfgang Pauli (1900-1958) proposa l’existence d’une particule neutre, très légère et quasiment indétectable : le neutrino. Ce dernier serait émis simultanément avec l’électron, emportant une part de l’énergie manquante.

Le neutrino, fantôme quantique de l’univers

Les neutrinos sont des leptons, de spin \(\frac{1}{2}\), sans charge électrique, et d’une masse extraordinairement faible (inférieure à 1 eV/\(c^2\). Trois types (ou "saveurs") existent : neutrino électronique, muonique et tauique, chacun associé à une particule chargée correspondante. Dans le cas de la désintégration bêta, c’est le neutrino électronique (\(\nu_e\)) qui entre en jeu. Ces particules traversent la matière presque sans interagir : des milliards de neutrinos provenant du Soleil ou des réactions nucléaires terrestres nous traversent chaque seconde sans laisser de trace détectable. Leur interaction est exclusivement de type faible, ce qui rend leur détection extraordinairement difficile.

La conservation dans la radioactivité bêta

Dans une désintégration bêta typique, un neutron se transforme selon le schéma :

\(n \rightarrow p + e^{-} + \bar{\nu}_e\)

où \(n\) est le neutron, \(p\) le proton, \(e^{-}\) l’électron, et \(\bar{\nu}_e\) l’antineutrino électronique. L’introduction du neutrino permet de restaurer les lois de conservation de l’énergie, de l’impulsion, et du moment cinétique. Par exemple, le spectre continu de l’énergie des électrons émis dans la désintégration bêta ne peut s’expliquer que si une autre particule emporte une fraction aléatoire de cette énergie, ce que fait précisément le neutrino.

Détection et confirmation expérimentale

La preuve expérimentale de l’existence du neutrino est venue en 1956 grâce à l’expérience de Frederick Reines (1918-1998) et Clyde Cowan (1919-1974) au Savannah River Plant, en détectant l’antineutrino émis par les réacteurs nucléaires. Leur méthode repose sur l’interaction inverse :

\(\bar{\nu}_e + p \rightarrow n + e^{+}\)

L’observation du positron (\(e^{+}\)) et du neutron secondaires fournit une signature indirecte du passage du neutrino. Depuis, des détecteurs géants comme Super-Kamiokande ou IceCube continuent de traquer ces particules messagères, qui nous informent aussi bien sur les processus nucléaires terrestres que sur les supernovae ou le cœur du Soleil.

Un spin révélateur de l’asymétrie de la nature

Le neutrino est une particule de spin \(\frac{1}{2}\), comme tous les leptons. Mais contrairement aux autres fermions (particules élémentaires), il possède une particularité fascinante : il ne se comporte pas de la même façon que son antiparticule sous les symétries fondamentales de la physique. Cette dissymétrie se manifeste notamment dans la violation de la parité (\(P\)) observée dans les interactions faibles.

En 1957, l’expérience historique de la physicienne sino-américaine, Chien-Shiung Wu (1912-1997) a mis en évidence que les électrons issus de la désintégration bêta sont émis préférentiellement dans une direction opposée au spin du noyau, démontrant ainsi que la nature distingue la droite de la gauche, une rupture majeure avec le dogme de symétrie universelle. Ce résultat signifie que les neutrinos produits dans les désintégrations bêta sont toujours de chiralité gauche, tandis que les antineutrinos sont de chiralité droite.

Cette propriété s’exprime en termes d’hélicité : le neutrino se propage avec son spin orienté antiparallèlement à sa direction de mouvement (\(h = -1\)). En revanche, si le neutrino avait une masse nulle, son hélicité serait invariante par transformation de Lorentz. Le fait que les neutrinos puissent osciller entre saveurs implique qu’ils ont une masse, donc qu’ils ne voyagent pas exactement à la vitesse de la lumière. Cela rouvre la possibilité, en théorie, de transformer un neutrino en antineutrino par inversion d’un référentiel inertiel, ce qui aurait des implications profondes pour la violation CP et la structure du modèle standard étendu.

Ainsi, le spin du neutrino n’est pas une simple propriété quantique : il révèle une asymétrie profonde de la nature, visible dans le fait que seule la chiralité gauche intervient dans l’interaction faible. Autrement dit, le spin du neutrino montre que la nature ne traite pas de la même manière la gauche et la droite : seule la version "gauche" du neutrino participe à l’interaction faible.

Neutrinos et physique fondamentale

La découverte du phénomène d’oscillation des neutrinos (leur capacité à changer de saveur au cours de leur propagation) a révolutionné la physique des particules en impliquant une masse non nulle. Cela a obligé à modifier le modèle standard et suggère des pistes vers une physique au-delà. Les neutrinos pourraient même jouer un rôle dans l’asymétrie matière/antimatière de l’univers ou expliquer une partie de la masse manquante dans le cosmos.

Neutrino : une particule minuscule, un rôle immense

Initialement conçue comme une correction ad hoc à une anomalie énergétique, la particule de Pauli s’est révélée être un acteur central de la physique moderne. Invisible mais omniprésent, le neutrino est le messager silencieux de la radioactivité bêta, portant avec lui des indices précieux sur les lois les plus fondamentales qui régissent la matière et l’univers.

Caractéristiques des trois saveurs de neutrinos

Sources : PDG (Particle Data Group, 2024), Super-Kamiokande, IceCube.