How big is Neutrino?

Un neutrino est une particule élémentaire, qui n'est faite de rien de plus petit pour autant que les expériences puissent le dire. Il n'a pas de charge électrique, et sa masse est si faible que les expériences n'ont pu qu'en fixer une limite supérieure. Aucune expérience n'a non plus mesuré sa taille, si bien que le 1 yoctomètre indiqué ci-dessus n'est pas une mesure. Un yoctomètre vaut 10⁻²⁴ mètre, soit un billionième de billionième de mètre.

Taille

Un neutrino n'a pas de surface à mesurer. Les physiciens observent plutôt la façon dont les neutrinos sont diffusés par les électrons. Un neutrino ayant une certaine taille, décrite par une grandeur appelée son rayon de charge, serait diffusé légèrement différemment d'un point.

L'expérience TEXONO, à Taïwan, a capté des antineutrinos, les partenaires d'antimatière des neutrinos, provenant d'un réacteur nucléaire situé à 28 mètres. Ils ont été diffusés par les électrons comme le prédit la théorie standard des particules, dans la limite de précision de l'expérience. Le Particle Data Group, qui rassemble des mesures de particules du monde entier, utilise ce résultat de 2010 comme limite. Il correspond à un rayon de charge inférieur à environ 1,8 × 10⁻¹⁸ mètre, soit une largeur inférieure à environ 3,6 × 10⁻¹⁸ mètres.

Les physiciens ne s'accordent pas sur le fait de savoir si le rayon de charge d'un neutrino représente une taille réelle ; il vaut donc mieux lire cette valeur comme une limite sur la façon dont les neutrinos sont diffusés. Le 1 yoctomètre indiqué dans l'explorateur est bien inférieur à cette limite, si bien qu'aucune expérience ne pourrait le confirmer ni l'exclure.

Comparaisons de taille

Un proton, large d'environ 1,7 femtomètre (1,7 × 10⁻¹⁵ mètre), est environ 460 fois plus large que la limite supérieure du neutrino.
Un atome d'hydrogène, large d'environ 0,1 nanomètre, est presque 30 millions de fois plus large que cette limite supérieure. Un nanomètre vaut un milliardième de mètre.
Si la limite supérieure était agrandie à la largeur d'un cheveu, environ 0,1 millimètre, un proton mesurerait environ 4,6 centimètres de large. Un cheveu humain agrandi dans les mêmes proportions mesurerait environ 2,8 millions de kilomètres de large, soit environ sept fois la distance de la Terre à la Lune.
La limite supérieure représente environ 200 millions de milliards (2 × 10¹⁷) fois la longueur de Planck, l'objet immédiatement plus petit dans l'explorateur.

La particule fantôme

Wolfgang Pauli a proposé l'existence du neutrino en 1930 pour expliquer la désintégration bêta, une forme de radioactivité dans laquelle un noyau atomique émet un électron. Une partie de l'énergie semblait manquer à l'appel, et Pauli a suggéré qu'une particule invisible et sans charge l'emportait avec elle. Enrico Fermi lui a donné le nom de neutrino, qui signifie « petit neutre » en italien.

Les neutrinos réagissent si rarement avec la matière qu'on les pensait presque impossibles à détecter. Frederick Reines et Clyde Cowan, du laboratoire de Los Alamos, ont fini par les détecter à la centrale de Savannah River, en Caroline du Sud, en utilisant le flot d'antineutrinos issu de son réacteur nucléaire. Ils ont publié leur découverte en juillet 1956, et Reines a reçu pour cela une part du prix Nobel de physique 1995.

Omniprésents et très légers

Après les photons, les particules de lumière, les neutrinos sont les particules les plus courantes de l'univers. Beaucoup sont produits par la fusion nucléaire dans le Soleil. Environ 66 milliards de neutrinos solaires atteignent chaque centimètre carré de la Terre chaque seconde, et presque rien ne les arrête.

Il existe trois types de neutrinos : les neutrinos électroniques, les neutrinos muoniques et les neutrinos tauiques. Takaaki Kajita et Arthur McDonald ont reçu le prix Nobel de physique 2015 pour avoir montré que les neutrinos changent de type en cours de trajet, ce qui signifie qu'ils doivent avoir une masse. En 2025, l'expérience KATRIN a indiqué que la masse du neutrino est inférieure à 0,45 électronvolt, une unité d'énergie que les physiciens utilisent aussi pour la masse. Un électron est plus d'un million de fois plus massif qu'un neutrino.