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1956 : mise en évidence



L'expérience de Reines et Cowan

Lorsque, en 1956, deux physiciens américains, Cowan et Reines, mirent en évidence le neutrino, son existence était admise, mais on estimait qu'il était « indétectable ».

Reines et Cowan
Reines et Cowan commencèrent leur expérience de détection des neutrinos auprès d'un réacteur à Hanford dans l'état de Washington. Ils la déplacèrent ensuite auprès du nouveau réacteur plus puissant de Savannah River en Caroline du Sud. Sur cette photographie de 1953 de l'équipe de Hanford, Cowan apparaît à l'extrême gauche et Reines à l'extrême droite. Cette expérience pionnière, qu'ils appelèrent le projet Poltergeist, prouva définitivement l'existence du neutrino et ouvrit la voie à la physique du neutrino.
Musée Curie

C'est au milieu des années 1950 que Clyde Cowan et Frederik Reines montèrent une expérience pour prouver l'existence des neutrinos. C'était l'époque où étaient mis en service les premiers réacteurs nucléaires à des fins civiles. Cowan et Reines eurent l'idée de tirer partie des flux de neutrinos qu'ils généraient, des flux allant de 1000 à 10 000 milliards de neutrinos par seconde et centimètre carré, beaucoup plus intenses que ceux attendus de l'utilisation de sources radioactives.

Les désintégrations bêta des neutrons et des produits de fission au sein des réacteurs génèrent ces neutrinos, en réalité des antineutrinos. Les antineutrinos ont la possibilité d'interagir. Mais seule une infime fraction le feront, avec des protons selon une réaction simple appelée « bêta inverse » : Un proton se transforme en neutron, un antineutrino en positon.

La réaction bêta inverse
L'interaction produit un neutron plus un positon
IN2P3

Les positons produits, corpuscules d'antimatière absents de notre environnement, trouvent rapidement un électron avec lequel s'annihiler. Ils disparaissent d'une manière très caractéristique qui sert à les identifier sous forme de deux photons gamma de 0.511 MeV d'énergie, émis simultanément dans des directions opposées. Mais Cowan et Reines réalisèrent que cette signature ne constituait pas une preuve suffisante de l'interaction d'un antineutrino. Ils cherchèrent à mettre en évidence la présence en plus d'un neutron pour confirmer la réaction.

Ils ajoutèrent du chlorure de cadmium dans un volume de 200 litres d'eau servant à la fois de détecteur et de cible. Le cadmium est un grand absorbeur de neutrons utilisé dans les barres de contrôle des réacteurs. Absorbant un neutron, le cadmium-108 forme un noyau excité de cadmium-109 qui se désexcite ensuite par émission d'un rayon gamma.

Reines et Cowan détectèrent les photons gamma à l'aide de scintillateurs liquides organiques, qui venaient d'être découverts, et qu'ils avaient placés dans le volume d'eau. Les scintillateurs produisaient des éclairs de lumière en réponse aux rayons gamma, lumière qui était amplifiée par des photomultiplicateurs.

Le dispositif de Reines et Cowan
Le détecteur de Reines et Cowan, à Savannah River, était situé à 11 m du réacteur et à 12 m sous terre pour se protéger des rayons cosmiques. Il était constitué de deux compartiments contenant au total 200 litres d'eau avec 40 kg de chlorure de cadmium dissous, ainsi que des matériaux organiques scintillants. Les deux compartiments étaient pris en sandwich par trois couches de photomultiplicateurs. Malgré le flux très abondant d'antineutrinos, l'interaction d'un antineutrino avec un proton de l'eau est un événement très rare, qui génère un positon et un neutron. Le dispositif a pour objectif de détecter simultanément les trois photons gamma caractéristiques résultant de l'évènement : les deux photons d'annihilation du positon et le photon de capture du neutron.
IN2P3

Le dispositif expérimental était conçu de telle façon que le troisième gamma était détecté moins de 5 millionièmes de secondes après les deux gamma du positon. La détection de trois gamma dans un intervalle de temps si court constituait une signature indubitable d'une interaction de neutrino. Reines et Cowan accumulèrent des données pendant plusieurs mois, à raison de trois évènements neutrinos par heure.

Ils s'assurêrent que ces évènements disparaissaient quand le réacteur été arrêté. Ils mesurèrent enfin pour cette réaction bêta inverse un taux de réaction compatible avec les prévisions théoriques de Bethe et Peirls.

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