Dernière mise à jour : 07 mai 2023

Qu'est-ce que la radioactivité β ?

Spectre en énergie de la particule béta — Spectre en énergie de la particule bêta. Author Sprawls Educational Foundation.
L'énergie moyenne de la particule bêta est inférieure à l'énergie maximale de la désintégration, ce qui semble contraire au premier principe de la thermodynamique. Pour résoudre ce paradoxe, Wolfgang Pauli propose, en 1930, que l'énergie « manquante » était emportée par une autre particule, non encore découverte, qu'il baptise neutron, renommée neutrino en 1933 par Enrico Fermi, et observée expérimentalement en 1956.

Le puzzle de la radioactivité β

La radioactivité bêta est un type de radioactivité où un noyau atomique instable émet une particule bêta, qui peut être un électron (β-) ou un positron (β+).

Lorsqu'un noyau est instable, il cherche à se stabiliser en se débarrassant d'une partie de son excès d'énergie. Dans le cas de la radioactivité bêta, la désintégration se produit en transformant un neutron ou un proton en une particule bêta et en un neutrino ou un antineutrino.
Ainsi, dans la désintégration β-, un neutron se transforme en un proton et un électron, le noyau émet donc un électron.
Dans la désintégration β+, un proton se transforme en un neutron et un positron, le noyau émet donc un positron.

Avant la découverte du neutrino, les scientifiques avaient observé des situations où la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement semblaient être violées dans les processus de désintégration radioactive. Par exemple, dans la désintégration bêta, le noyau instable émet une particule bêta et un neutrino (ou antineutrino). Mais à cette époque, les scientifiques ne connaissent pas le neutrino et constatent que l'énergie cinétique de la particule bêta émise n'est pas égale à l'énergie totale de la désintégration, ce qui violait la loi de conservation de l'énergie.
Le premier principe de la thermodynamique stipule que l'énergie ne peut être créée ni détruite, mais seulement transformée d'une forme à une autre.
Dans cette transformation, il manquait de l'énergie !
Il fallait donc renoncer à la conservation de l'énergie mais aussi à l'invariance des lois physiques par translation du temps. Cette idée fut envisagée mais cela aurait eu des implications profondes pour la physique.
C'est ce qu'on a appelé le puzzle de la radioactivité béta !
En effet, cette invariance du temps est un principe fondamental de la physique qui sous-tend de nombreuses théories et découvertes en physique, y compris la relativité restreinte d'Einstein et la mécanique quantique. Elle permet de comprendre la dynamique des systèmes physiques complexes et des phénomènes tels que la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement.

Pour résoudre le puzzle de la radioactivité β, un physicien théoricien autrichien, Wolfgang Pauli (1900-1958) émet l'idée que la désintégration produit non pas deux particules mais trois. Dans cette hypothèse, les lois de conservation de l'énergie sont sauvées.
"…, j'ai découvert un remède inespéré pour sauver les lois de conservation de l'énergie et les statistiques. Il s'agit de la possibilité d'existence dans les noyaux de particules neutres de spin, obéissant au principe d'exclusion, mais différentes des photons par ce qu'elles ne se meuvent pas à la vitesse de la lumière, et que j'appelle neutrons.". Wolfgang Pauli, Zurich, lettre du 4 décembre 1930 adressée à une conférence qui se déroulait à Tübingen où il ne pouvait se rendre.
Pauli a suggéré que sa particule était très légère, dépourvue de charge électrique et interagissait très faiblement avec la matière, ce qui expliquerait pourquoi il était difficile de le détecter.

En 1932, un physicien britannique, James Chadwick (1891-1974) découvre une particule subatomique réelle qui avait une masse similaire à celle du proton, mais qui était neutre. Chadwick a appelé cette particule le "neutron", mais cette particule est complètement différente de la particule hypothétique proposée par Pauli.

Enrico Fermi a développé la première théorie détaillée de la désintégration bêta en utilisant l'hypothèse de Wolfgang Pauli sur l'existence d'une particule supplémentaire. C'est lui qui donne le nom de neutrino "petit du neutron" à cette particule. Fermi a choisi ce nom pour la particule hypothétique proposée par Pauli parce qu'il a constaté que cette particule n'avait pas de charge électrique et qu'elle n'interagissait pas facilement avec la matière, ce qui la rendait difficile à détecter. Le nom "neutrino" reflète donc ces propriétés de la particule.

Ce n'est qu'en 1956 que Frederick Reines (1918-1998) et Clyde Cowan (1919-1974), au sein du laboratoire de Los Alamos aux États-Unis, vont découvrir expérimentalement l'existence des neutrinos, qui avaient été proposés théoriquement plusieurs décennies plus tôt par Pauli et Fermi.