L’étude des propriétés des neutrinos, dans laquelle le Dapnia a une longue tradition, utilise différents types de sources, depuis les isotopes radioactifs, le Soleil et les rayons cosmiques, jusqu’aux réacteurs nucléaires et aux accélérateurs de particules. Une question longtemps débattue concernait leur masse ; depuis 1998 on sait que les neutrinos, bien que très légers, possèdent effectivement une masse. Déterminer comment ces masses se répartissent entre les 3 variétés connues de neutrinos, ν_e , ν_μ et ν_τ , sera l’objet des recherches dans les prochaines décennies. Par ailleurs les progrès expérimentaux nous permettent également d’envisager une nouvelle branche de l’astrophysique, basée sur la détection des neutrinos comme messagers de l’Univers.

Les neutrinos, postulés en 1930 et découverts en 1956, restent mystérieux par bien des côtés. Néanmoins, on a montré qu’il en existe trois variétés (ou saveurs) associées aux trois leptons chargés connus : l’électron et ses deux partenaires plus lourds, le muon et le tau. Si les neutrinos ont une masse, la théorie prédit la possibilité de transition (ou oscillation) d’une saveur à l’autre. L’étude de ces oscillations permet de mesurer d’une part les différences des carrés des masses, qui gouvernent les fréquences d’oscillation, et d’autre part la relation existant entre les différents états des neutrinos (chaque neutrino d’une saveur donnée possède les trois masses dans des proportions gouvernant l’amplitude de ses oscillations). Cette relation se décrit à l’aide de trois angles – dits de mélange –, et d’une phase δ induisant une brisure de la symétrie CP transformant particule en antiparticule. L’observation d’oscillations de saveurs dans l’étude des neutrinos solaires et atmosphériques a permis de mesurer les différences entre les carrés des masses, ainsi que deux des trois angles de mélange. Il reste donc à déterminer θ₁₃ , le troisième angle de mélange, et la phase δ.

Les neutrinos solaires

Après avoir contribué de façon importante au succès de l’expérience Gallex, les équipes du Dapnia ont participé au programme de R&D Lens, visant à mesurer pour la première fois « en temps réel » le flux très abondant des neutrinos solaires les moins énergiques. Cette étude a conclu à l’impossibilité de réaliser cette expérience avec des performances suffisantes, mais elle a permis la mise au point de techniques fiables de dopage de scintillateurs liquides à l’indium, à l’ytterbium ou au gadolinium, avec un bon rendement lumineux et une transparence adéquats. Ce résultat est mis à profit dans le projet Double-Chooz.
Par ailleurs, l’étude des neutrinos solaires au Dapnia a profité de la forte synergie entre physiciens des particules et astrophysiciens.

Les neutrinos de réacteurs

Les réacteurs nucléaires sont des sources très intenses d’antineutrinos électroniques. Un détecteur de 5 tonnes de liquide scintillant situé à 1 km des réacteurs de la centrale de Chooz a fourni à ce jour la meilleure limite supérieure pour l’angle de mélange θ₁₃ , autour de 13°. Le but du projet Double-Chooz, lancé par les physiciens du Dapnia, est de mettre en évidence l’éventuelle oscillation gouvernée par θ₁₃. Le défi est d’améliorer la sensibilité expérimentale d’un facteur 10, ce qui correspond à une valeur minimale mesurable de 5°. Le principe de l’expérience est d’utiliser deux détecteurs de 10 tonnes identiques pour mesurer les flux de neutrinos avant et pendant l’oscillation, l’un proche (150 m) des cœurs du réacteur et l’autre lointain (1,1 km). Les équipes du Dapnia contribuent à l’étude de faisabilité et à la conception de ces détecteurs. La réutilisation du site de la première expérience permettra de démarrer la prise de donnée dès 2008.
La sensibilité qu’atteindra ce détecteur intéresse particulièrement l’Agence internationale de l’énergie atomique (AEIA) pour le contrôle à distance de la puissance des réacteurs et de la nature du combustible utilisé.

Les neutrinos d’accélérateurs

Une seconde approche pour mesurer θ₁₃ consiste à utiliser des faisceaux intenses de neutrinos produits par les accélérateurs de nouvelle génération couplés à des détecteurs de plusieurs centaines de milliers de tonnes. L’avantage de cette technique est de permettre à la fois la mesure de l’angle θ₁₃ et de la phase δ. Dans cette perspective, les physiciens du Dapnia se proposent de participer d’abord aux expériences japonaises, tout en travaillant à la promotion et la conception d’un projet européen.

K2K

Une équipe du Dapnia participe déjà au Japon à l’expérience K2K dont le but est de confirmer l’oscillation remarquable observée dans les neutrinos atmosphériques avec un faisceau produit au laboratoire KEK.
Cette expérience, distante de 250 km de KEK, utilise le détecteur Superkamiokande, grand volume souterrain de 50 000 tonnes d’eau, dans lequel on détecte la lumière Tchérenkov produite lors des interactions.
Le Dapnia contribue au monitorage des détecteurs et à l’amélioration des algorithmes utilisés dans le traitement des données. Les résultats les plus récents confirment sans ambiguïté le déficit observé dans les neutrinos atmosphériques.
À partir de 2009 un faisceau de neutrinos beaucoup plus intense produit au laboratoire J Parc, distant de 300 km, traversera le détecteur, ce qui permettra d’étudier les oscillations avec une sensibilité sur la mesure de l’angle θ13 de 2,5^o.

Un projet européen

À l’horizon 2015, le Cern pourrait produire divers types de faisceaux de neutrinos extrêmement intenses, permettant d’atteindre une sensibilité sur la mesure de θ₁₃ meilleure que 1°, et aussi de mesurer pour la première fois la phase δ avec précision. Dans ce but, un détecteur très massif (de l’ordre du million de tonnes) devra être installé à la distance optimale du Cern. Le laboratoire souterrain du Fréjus est situé à la distance idéale et une nouvelle cavité pourrait y abriter un tel détecteur. Le groupe « prospective neutrinos » du Dapnia s’investit fortement dans l’étude de divers aspects du projet (complexe d’accélérateurs, cavité souterraine, performances du détecteur). Ce groupe travaille en relation étroite avec les physiciens nucléaires du projet Eurisol, qui souhaitent produire des faisceaux intenses d’ions radioactifs, dont seraient issus les faisceaux de neutrinos.

L’astronomie par les neutrinos

L’observation de l’Univers se fait principalement grâce aux photons, depuis l’infrarouge jusqu’aux rayons gamma de haute énergie, et au rayonnement cosmique constitué en majorité de protons. Mais au delà d’une certaine distance, ces messagers sont ab

Les physiciens ont imaginé d’énormes télescopes à neutrinos sous la forme de volumes d’eau ou de glace équipés de réseaux de photodétecteurs sensibles à la lumière Tchérenkov produite par les particules émises lors d’interactions de neutrinos. Antares est un premier prototype d’un tel télescope, en cours d’installation au large de Toulon. Un ensemble de 12 lignes verticales de 400 m de long, équipées chacune de 90 photomultiplicateurs, sera déployé par 2500 mètres de fond pour couvrir une surface sensible de l’ordre de 0,1 km2. Actuellement, tout le système de transmission des signaux, de positionnement des photomultiplicateurs, et de mesure de paramètres environnementaux a été validé à l’aide d’une ligne prototype. La première ligne sera opérationnelle en 2005, et l’ensemble en 2007.
Un télescope couvrant un volume d’un kilomètre cube devrait succéder à Antares et permettre d’identifier des sources ponctuelles de neutrinos de haute énergie.

Un détecteur gazeux sphérique

Les équipes du Dapnia ont récemment mis au point de nouvelles techniques de détection basées sur l’utilisation de chambres Micromegas. Ces chambres pourraient équiper un détecteur placé au centre d’un grand volume gazeux, comme une sphère dont le rayon atteindrait 10 m, constituant ainsi une cible importante sensible à des neutrinos de très basse énergie. Les applications de cette méthode pourraient être : la mise en évidence de la diffusion cohérente des neutrinos sur les noyaux – processus potentiellement beaucoup plus efficace que les réactions plus classiques –, la détection de neutrinos émis par des supernovæ extragalactiques, et éventuellement l’étude de propriétés du neutrino lui-même (oscillations, recherche d’un moment magnétique…) par l’utilisation d’une source intense de tritium au centre de la sphère. Un tel projet est actuellement en phase de R&D.