Pauli's Missing Arrow — the Neutrino
En 1930, la désintégration bêta semblait violer deux des lois les mieux établies de la physique. Ici, un noyau au repos se désintègre une fois dans un détecteur sphérique tapissé de capteurs de lumière, qui ne voit que les particules chargées : un électron file vers la paroi tandis que le noyau recule de l'autre côté. Mises bout à bout, leurs flèches de quantité de mouvement mesurées ne reviennent pas au point de départ, et l'électron n'emporte jamais toute l'énergie libérée. Un histogramme de 2 000 électrons issus de la même source montre une répartition continue au lieu d'une seule raie fine. Un interrupteur met à l'épreuve l'idée de Wolfgang Pauli : ajoutez une particule neutre et invisible, et voyez si les deux lois tiennent à nouveau.
Comment utiliser cette simulation
- Énergie libérée par la désintégration Q : de 0,30 à 3,00 MeV, au départ 1,16 MeV (bismuth 210). La désintégration montrée donne toujours à son électron l'énergie médiane : une Q plus grande donne un électron plus rapide et des flèches plus longues, et l'échelle de l'histogramme suit Q. Un changement redessine la désintégration au même instant sans la lancer.
- Particule invisible de Pauli : un interrupteur à deux positions, sans ou avec. Il ne change que la comptabilité : les traces, les mesures et l'histogramme restent exactement les mêmes. Avec elle, une flèche pointillée referme le triangle des quantités de mouvement, la barre d'énergie se remplit jusqu'à Q et la courbe prévue apparaît sur l'histogramme.
- Lecture/pause, retour au début, une ligne de temps que l'on peut faire glisser jusqu'à n'importe quel instant, et ralenti ½×, ¼×, ⅛×, en plus du ralenti propre à la scène : 1 ns de la désintégration dure 1 s.
- Faites glisser sur la scène pour regarder autour.
Ce qu’il faut observer
- Avant d'appuyer sur lecture, le noyau est au repos au centre : la quantité de mouvement totale est nulle et rien n'est encore parti.
- L'électron est mesuré quand il atteint la paroi, 3,9 ns après la désintégration, et les capteurs autour de l'impact s'allument.
- Sans la particule, les flèches de l'électron et du noyau, mises bout à bout, s'arrêtent avant le point de départ : un écart rouge de 0,71 MeV/c, et les deux traces font 133° au lieu de 180°.
- L'électron emporte 0,45 des 1,16 MeV libérés ; les 2 000 électrons enregistrés s'étalent continûment de 0 à Q, et presque aucun n'atteint Q, là où la ligne pointillée des deux corps les place tous.
- Activez la particule : sa flèche pointillée part de la pointe de la flèche du noyau et revient droit au point de départ, le total affiche 0,00 MeV/c et la barre d'énergie se remplit jusqu'à 1,16 MeV. La quantité de mouvement manquante, 0,71 MeV/c, et l'énergie manquante, 0,71 MeV, sont le même nombre, comme il se doit pour une particule sans masse.
- Montez Q à 3 MeV : l'électron est plus rapide et chaque flèche plus longue, mais l'écart s'ouvre toujours sans la particule et se referme toujours avec elle.
La physique derrière
Avant la désintégration, le noyau est au repos : la quantité de mouvement totale est nulle, et la désintégration libère une énergie Q, 1,16 MeV pour le bismuth 210. L'énergie cinétique T de l'électron suit le spectre permis N(T) ∝ pE(Q − T)², une répartition continue de 0 à Q dont le maximum est proche de 0,4 MeV. La désintégration montrée donne à son électron l'énergie médiane, 0,45 MeV : il part à 85 % de la vitesse de la lumière avec une quantité de mouvement de 0,82 MeV/c et atteint la paroi, à un peu moins de 1 m, au bout de 3,9 ns. Si l'électron et le noyau étaient les seuls produits, la conservation de la quantité de mouvement les enverrait exactement dos à dos, avec des quantités de mouvement égales, et chaque électron emporterait T = Q : une seule raie fine. Or la somme mesurée p_e + p_N vaut 0,71 MeV/c et non 0, les deux traces font un angle de 133°, et T est inférieure à Q. La particule de Pauli, neutre et sans masse, emporte le reste : une énergie Q − T = 0,71 MeV et une quantité de mouvement de même valeur, 0,71 MeV/c, dans sa propre direction. Le noyau recule avec p_N = −(p_e + p_ν), à environ 1,4 km/s seulement car il est très lourd, et les trois flèches se referment : 0 avant, 0 après. Pauli proposa la particule en 1930 ; Enrico Fermi la nomma neutrino, et en 1956 Clyde Cowan et Frederick Reines la détectèrent.