Aksel L. Hallin, professeur de physique à l’Université Queen’s et à l’Observatoire de neutrinos de Sudbury, donne cette description :
Un neutrino est une particule subatomique très similaire à un électron, mais qui n’a pas de charge électrique et une très petite masse, qui pourrait même être nulle. Les neutrinos sont l’une des particules les plus abondantes de l’univers. Cependant, comme ils n’ont que très peu d’interaction avec la matière, ils sont incroyablement difficiles à détecter. Les forces nucléaires traitent les électrons et les neutrinos de manière identique ; ni les uns ni les autres ne participent à la force nucléaire forte, mais tous deux participent également à la force nucléaire faible. Les particules ayant cette propriété sont appelées leptons. Outre l’électron (et son antiparticule, le positron), les leptons chargés comprennent le muon (de masse 200 fois supérieure à celle de l’électron), le tau (de masse 3 500 fois supérieure à celle de l’électron) et leurs antiparticules.
Le muon et le tau, comme l’électron, sont accompagnés de neutrinos, que l’on appelle le muon-neutrino et le tau-neutrino. Les trois types de neutrinos semblent être distincts : par exemple, lorsque les muons-neutrinos interagissent avec une cible, ils produisent toujours des muons, et jamais de taus ou d’électrons. Dans les interactions entre particules, bien que les électrons et les électrons-neutrinos puissent être créés et détruits, la somme du nombre d’électrons et d’électrons-neutrinos est conservée. Ce fait conduit à diviser les leptons en trois familles, chacune comportant un lepton chargé et son neutrino associé.
Pour détecter les neutrinos, il faut des détecteurs très grands et très sensibles. Généralement, un neutrino de faible énergie traverse plusieurs années-lumière de matière normale avant d’interagir avec quoi que ce soit. Par conséquent, toutes les expériences terrestres sur les neutrinos reposent sur la mesure de l’infime fraction de neutrinos qui interagissent dans des détecteurs de taille raisonnable. Par exemple, dans l’Observatoire de neutrinos de Sudbury, un détecteur de neutrinos solaires à eau lourde de 1000 tonnes capte environ 1012 neutrinos par seconde. Environ 30 neutrinos par jour sont détectés.
Wolfgang Pauli a postulé pour la première fois l’existence du neutrino en 1930. A cette époque, un problème se posait car il semblait que l’énergie et le moment angulaire n’étaient pas conservés dans la désintégration bêta. Mais Pauli a fait remarquer que si une particule neutre et sans interaction – un neutrino – était émise, on pourrait retrouver les lois de conservation. La première détection de neutrinos n’a pas eu lieu avant 1955, lorsque Clyde Cowan et Frederick Reines ont enregistré des anti-neutrinos émis par un réacteur nucléaire.
Les sources naturelles de neutrinos comprennent la désintégration radioactive des éléments primordiaux au sein de la terre, qui génèrent un flux important d’électrons-anti-neutrinos de faible énergie. Les calculs montrent qu’environ 2 % de l’énergie du soleil est transportée par les neutrinos produits dans les réactions de fusion. Les supernovae aussi sont principalement un phénomène de neutrinos, car les neutrinos sont les seules particules qui peuvent pénétrer la matière très dense produite dans une étoile en effondrement ; seule une petite fraction de l’énergie disponible est convertie en lumière. Il est possible qu’une grande fraction de la matière noire de l’univers soit constituée de neutrinos primordiaux, ceux du Big Bang.
Les domaines liés aux particules neutrinos et à l’astrophysique sont riches, divers et se développent rapidement. Il est donc impossible d’essayer de résumer toutes les activités du domaine dans une courte note. Cela dit, les questions actuelles qui attirent un grand nombre d’efforts expérimentaux et théoriques sont les suivantes : Quelles sont les masses des différents neutrinos ? Comment affectent-ils la cosmologie du Big Bang ? Les neutrinos oscillent-ils ? Ou bien les neutrinos d’un type peuvent-ils se transformer en un autre type lorsqu’ils traversent la matière et l’espace ? Les neutrinos sont-ils fondamentalement distincts de leurs antiparticules ? Comment les étoiles s’effondrent-elles et forment-elles des supernovae ? Quel est le rôle du neutrino en cosmologie ?
Une question de longue date qui présente un intérêt particulier est ce qu’on appelle le problème du neutrino solaire. Ce nom fait référence au fait que plusieurs expériences terrestres, couvrant les trois dernières décennies, ont constamment observé moins de neutrinos solaires que ce qui serait nécessaire pour produire l’énergie émise par le soleil. Une solution possible est que les neutrinos oscillent – c’est-à-dire que les neutrinos électroniques créés dans le soleil se transforment en neutrinos muoniques ou tauiques lorsqu’ils se déplacent vers la terre. Comme il est beaucoup plus difficile de mesurer les neutrinos muoniques ou tauiques de faible énergie, ce type de conversion expliquerait pourquoi nous n’avons pas observé le nombre correct de neutrinos sur Terre.