Les neutrinos du Modèle Standard

Le Modèle Standard de la physique des particules est un cadre théorique permettant de décrire les particules élémentaires et trois de leurs interactions fondamentales : électromagnétique, faible et forte. Les interactions électromagnétique et faible étant unifiées, on parle alors d'interaction électrofaible. Le Modèle Standard contient deux interactions distinctes : l'interaction forte décrite par QCD et l'interaction électrofaible. C'est une théorie invariante sous le groupe de jauge SU(3)_C $\otimes$ SU(2)_L $\otimes$ U(1)_Y, produit de trois groupes de symétries, chacun associé à une interaction :

• le groupe SU(3)_C est le groupe de symétrie associé à l'interaction forte; « C » est le nombre quantique de couleur (chaque quark porte une unique couleur parmi trois différentes) ;
• le groupe SU(2)_L $\otimes$ U(1)_Y décrit les interactions électrofaibles. Pour tenir compte de la violation de la parité dans l'interaction faible, les composantes de chiralité gauche des leptons appartiennent à des doublets d'isospin faible du groupe SU(2)_L et les composantes « droites » à des singulets. Pour inclure l'interaction électromagnétique on a besoin du groupe U(1) dont le générateur est l'hypercharge Y.

Dans ce cadre, le neutrino est une particule possédant les propriétés suivantes :

• spin 1/2 ;
• masse nulle ;
• charge électrique nulle ;
• hélicité négative (ou gauche) pour les neutrinos, et positive (ou droite) pour les antineutrinos ;
• nombre quantique leptonique spécifique électron, muon ou tau. On parlera ainsi de neutrino-électron, neutrino-muon et neutrino-tau notés respectivement ν_e, ν_μ et ν_τ.

Il est à noter que le Modèle Standard ne fait aucune prédiction sur la valeur des masses des fermions. Dans la première version de ce modèle, l'invariance de jauge imposait aux bosons médiateurs des interactions d'être de masse nulle, et il était alors impossible d'attribuer une masse aux fermions. Pour pallier à ce problème une nouvelle particule (non encore observée) de spin 0 a été introduite : le boson de Higgs. Les interactions entre les fermions de masse nulle et le boson de Higgs donneraient alors une masse à ces fermions.

Seul les neutrinos « gauche » interagissent, de masses extrêmement faibles par rapport aux autres particules (est-ce là la signature de phénomènes dépassant le Modèle Standard ?), le neutrino est la seule particule neutre de la famille des fermions. L'apparente similitude des neutrinos avec le secteur des quarks (même nombre de familles et même nombre de particules), fait des neutrinos un domaine très actif de la physique des particules.