ÉTAT DES RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX SUR LA RECHERCHE DES COURANTS NEUTRES

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Submitted on 1 Jan 1973

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ÉTAT DES RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX SUR LA RECHERCHE DES COURANTS NEUTRES

P. Musset

To cite this version:

P. Musset. ÉTAT DES RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX SUR LA RECHERCHE DES COURANTS NEUTRES. Journal de Physique Colloques, 1973, 34 (C3), pp.C3-1-C3-7. �10.1051/jphyscol:1973301�.

�jpa-00215271�

ÉTAT DES RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX SUR LA RECHERCHE DES COURANTS NEUTRES

P. MUSSET CERN, Genève, Suisse

Résumé. - Les résultats expérimentaux concernant la recherche de courants neutres dans les interactions leptoniques des neutrinos, les interactions semi-leptoniques des neutrinos, et les interactions faibles avec changement d'étrangeté sont résumés. Les résultats concernant les neu- trinos sont comparés avec les prédictions de la théorie de Salam-Weinberg.

Abstract. - The experimental results of the searches for neutral currents in leptonic interactions of neutrinos, semi-leptonic interactions of neutrinos, and strangeness changing weak interactions are reviewed. The results concerning neutrino interactions are compared with the predictions of the Salam-Weinberg theory.

1. Introduction. - L'existence des courants neutres faibles a été proposée depuis de nombreuses années [l], presque immédiatement après la formulation de la théorie des interactions faibles induites par les cou- rants chargés de Feynmann et Gell-Mann [2]. De nombreuses formulations différentes ont successi- vement été présentées, en particulier celles où des bosons intermédiaires neutres existaient à côté des bosons intermédiaires chargés. Les motivations qui ont conduit à ces théories ont été diverses : d'abord un souci de symétrie dans les propriétés isotopiques des courants, ensuite l'explication possible de la règle de sélection AI = 3 dans les interactions faibles non leptoniques et l'intensité de ces processus, hypo- thèse qui semble avoir cédé la place à une interprétation due à l'algèbre des courants, enfin les théories renor- malisables, et principalement celles dues à Salam- Ward et Weinberg [3].

Nous examinons ici l'état actuel des résultats expé- rimentaux. L'accent sera mis sur les processus dont

l'existence est prédite, d'une manière relativement précise, par ces dernières théories. Nous utiliserons le paramètre O,, angle de mélange entre le boson lourd neutre et le photon. Nous examinerons succes- sivement les interactions leptoniques et semi-lepto- niques des neutrinos, et les réactions avec changement d'étrangeté.

2. Interactions leptoniques des neutrinos. - 2.1 RÉACTION V, e- -+ Ve e-. - II faut noter que ce processus peut être induit également par des courants chargés. Dans le cadre de la théorie V-A, la section efficace prédite est de 0,54 x IOd4' E,(,,,, cm2.

En présence de courants neutres cette section efficace peut varier de 0,14 à 2,9 x 10-41E,(Gev, cm2, suivant la valeur du paramètre 8,.

Une recherche expérimentale de ce processus a été effectuée auprès du réacteur de Savannah par [4] Gurr, Reines et Sobel. Le détecteur des électrons de recul de la réaction est un scintillateur plastique

Vue debout Vue de ~ 8 t h

Conduit de IurniZre Na1 et anticoïncidence FIG. 1.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1973301

P. _MUSSET

Interactions leptoniques des v

Réaction Commentaires Taux sin2 6,

- - -

signal t e - ^-t K e - 5! 1

bruit a < 3,6 @,,-A < 0,65

Savannah permis par CC

signal - > 2

bruit O év.

1

Gargamelle seulement CN 0,3 f 0,l br.

- - - - signal

v, e -+ v, e > 13 1 év.

bruit

Gargamelle seulement CN 0,03 f 0,Ol br. 1

deg8 kg, figure 1. Il est entouré d'une couche de Na 1 de 330 kg anti-coïncidence, d'une couche de plomb et de cadmium et de 2,200 1 de scintillateur

liquide en anti-coïncidence. De plus, des réservoirs ^4.0 d'eau sont utilisés pour limiter le bruit de fond. Il

faut noter que dans une première phase de l'expérience, z

dans laquelle l'installation ne comportait pas la couche intérieure de plomb, les taux de comptage $ ^'3'

avaient une valeur supérieure de deux ordres de

N'

grandeur à ceux de la phase ultérieure. Afin de réaliser 5

un compromis entre le taux de comptage et l'intensité du bruit de fond, une coupure est faite sur l'énergie

%

de l'électron de recul : 3,6 < Ee < 5,O MeV. Le ,- 36,

signal est donné par la différence des taux de comptage réacteur en marche et réacteur à l'arrêt. Les auteurs 5

- i,a

estiment la limite à un écart standard de la section ^-o

efficace à : _do

.

O(% e- + e-) < ^{1'9 3&/4 0014. 1}

(Cette limite sous-entend une contribution statistique et un effet systématique dû à la dérive des compteurs.) Ceci donne à un niveau de confiance de 90 % :

ou bien

< ^{3,O @,-A} ,

si on applique le niveau de confiance à l'erreur statistique seulement (*). On en tire (Fig. 2)

La limite sin2 6, < 0,35 avait été déduite d'une part par B. Lee [5] du résultat à 1 écart standard, et d'autre part par C. Baltay [6] d'une réétude de l'expérience utilisant l'information du spectre d'énergie des

v

et de la distribution des énergies de recul, à deux écarts standard. Cependant, cette étude est très sensible à la forme du spectre comme le montre la

(*) Nous ramènerons tous les résultats expérimentaux sur les limites A un niveau de confiance de 90 %.

Futur -

figure 3 en raison de la pente de la distribution du recul à l'endroit de la coupure. La forme de ce spectre est mal connue. Nous pensons donc qu'il est plus raisonnable de conserver la Iimite

Il faudrait un gain d'un ordre de grandeur pour que cette expérience puisse apporter une réponse non ambiguë. Les auteurs ont l'intention de la continuer.

2.2 REACTIONS v, e- -, v, e- ET Y, e- -, 7, e-. - Ces processus ne peuvent être induits que par des courants neutres. La section efficace prédite dans ce cas par 't Hooft [7] dans le cadre de la théorie de Weinberg est indiquée en figure 2.

Les réactions ont été étudiées dans l'expérience v avec la chambre à bulles Gargamelle au CERN.

Elles sont caractérisées par la présence d'un seul électron négatif, sans autre produit de réaction.

E- MeV

v FIG. 3.

L'électron est émis, en raison de la cinématique, à un angle O, petit par rapport au neutrino incident.

Des électrons d'énergie > 300 MeV et d'angle O, < 5 0 ont été recherchés.

répondant à ces critères (E, = 400 MeV, 8, = 20).

Contrairement à l'expérience précédente, le bruit de fond peut être ici estimé et est plus faible que le signal attendu (Fig. 4).

Le bruit de fond le plus important provient des réactions v,

+

+

+

Le bruit de fond dû aux y isolés pouvant simuler un électron est plus faible que le précédent dans le v et est négligeable dans l'antineutrino.

On a donc les estimations préliminaires suivantes [8] : Minimum Maximum

théorique théorique Bruit de fond Observation

- - - -

v -

-

-

-

v

-

-

-

⁺

Le tableau indique que la probabilité que l'événement observé soit dû au bruit de fond est faible. Les limites de sin2 Ow que l'on peut en tirer sont :

Notons qu'il faudrait augmenter la statistique d'un ordre de grandeur pour prouver ou exclure la théorie de Weinberg. Une expérience avec des T, est prévue dans ce but dans les prochains mois au CERN.

Compte tenu du gain en intensité dû au booster et de la plus grande sensibilité des antineutrinos, elle devrait donner une réponse non ambiguë.

3. Interactions semi-leptoniques des neutrinos. -

3 . 1 RÉACTION ÉLASTIQUE. - L'expérience faite au CERN en 1967 dans la chambre à bulles en propane a permis de fixer une limite au rapport :

La sélection des événements est faite sur l'énergie calculée du neutrino E, : (1 < E, < 4) GeV, et le transfert de quadri-impulsion au nucléon q2 :

Si l'on veut comparer ce résultat aux prédictions du modèle de Weinberg, il faut d'abord supposer connue la masse MA (MA = 0,84 GeV) et la dépen- dance en q2 du facteur de forme :

puis corriger des effets des coupures. On obtient alors 161, Pl

sin2 Bw >, 0,9 .

P. MUSSET

Interactions semi-leptoniques des v

Futur Réaction -

- Commentaires Taux

signal - - 1

bruit

-- vp * vp < 0,24 GGM Propane AR AMA

M A = M , = 0,84 GeV - 2 -

R MA

CERN 1967 v,p+v,n + n CERN 1967

Suppose I ⁼ 2 ^pur

7 2

pour p.n0 f 10 pour .n+ n

V, P ⁺ v, pz0 Argonne

Suppose I = Q pur

vp ⁴ VA'

signal < 0,31

dépend des coupures

bruit vp ⁴ ,u- A+*

Identification de vertex

vnpOn

Transferts de charge < 0,14

(Albright, Lee, Paschos, Wol.) 2 p- p.no Columbia

< N + < n o p ~ '

Gargamelle Transferts de charge - < 0,21

En cours d'étude v;, ^-' inélast.

(Fond de neutrons) Gargamelle

3 . 2 RÉACTIONS AVEC PRODUCTION D'UN MÉSON z. -

3.2.1 Expérience du CERN. - La même expérience [IO] que précédemment a aussi fourni une limite sur le rapport R,

En supposant la dominance de l'état 3, ceci corres- pond à

a(v, p -+ v, N*' )

R, = < 0,46 .

90% L.C. ~ ( v , P * ~ - N * + + )

(CUNDY ET AL 19701

Cette limite ne contraint pas la théorie de Weinberg.

3.2.2 Expérience d'Argonne. - L'expérience neu- trino effectuée dans la chambre d'Argonne [Il]

0,2 O P 0,6 0.8 1.0

sin2 û, de 12' a fourni une limite sur Ie même rapport :

L'analyse portait sur les événements candidats du Pour couvrir tout le domaine de la théorie, un canal N** ^-t pz0, signés par l'observation d'un facteur de i'ordre de 5 serait nécessaire. Une expé- rayon y et d'un proton. Le bruit de fond provenant rience propane dans la grande chambre Gargamelle des réactions np ⁺ pnnO est calculé à partir des pourrait fournir ce résultat. réactions observées et ajustées np ^-+ ppz-. Pour

certains critères sur le moment et l'angle du proton, le nombre de candidats est nul (la limite sur R, dépend peu de ces critères).

Cette limite impose sin2 19, 2 0,05 (Fig. 4). Par l'analyse du canal N* ^-+ nnf et par l'augmentation du nombre de photos, ces auteurs espèrent gagner un ordre de grandeur dans la statistique.

A

3 . 2 . 3 Réanalyse de l'expérience de Brookhaven- Columbia. - Il s'agit de l'expérience en chambres à étincelles, comportant des plaques d'aluminium de 114" [12]. Il s'agit donc de réactions sur noyaux complexes. Le rapport théorique calculé dans le modèle de Weinberg est :

0,5

0.4

tandis que la quantité réellement mesurée devrait s'écrire :

o(v N-t Nv' no) R , =

2 a(vN -+ p' N' no)

R -

1

-

\

où N et N' désignent des noyaux ou plus généralement un ensemble de nucléons.

Un facteur de correction important provient des effets nucléaires, et en particulier des réinteractions

9 3 -

1

que dans le fréon le rapport

tandis que la prédiction théorique impliquant seule- ment l'état final

+

+

Le chiffre expérimental R, < 0,14 a été récemment comparé à un modèle [12] qui est libéré, autant que possible, des contingences nucléaires. On trouve alors : sin2 O, > 0,3 (Fig. 7).

Limite CERN Limite COLUMBIA

sin 2 8 W

3.2.4 Expérience Gargamelle. - Dans cette expé- rience, on a exploré le même canal. La différence est qu'ici on peut définir le vertex de l'interaction qui est visible et par conséquent on peut identifier des z supplémentaires éventuels de basse énergie. On a exigé de voir au moins un proton de recul, afin de s'affranchir des événements où seulement des y sont vus. Avec une coupure en volume fiducial pour réduire le bruit de fond de neutrons entrant dans la chambre, on trouve R6 < 0,21.

Ceci implique sin2 8, > 0,2 (Fig. 7).

3.3 RÉACTIONS INÉLASTIQUES. - La collaboration Gargamelle étudie actuellement les réactions

v,

+

+

- v,

+

+

C3-6 P. MUSSET Ces événements sont signés par l'absence de tout p possible. On les compare aux réactions :

v,

+

+

- v,

+

+

la partie hadronique étant toujours définie de la même façon.

Ces réactions ont été calculées par Païs, Treiman, Paschos et Wolfenstein [13] dans le modèle de Wein- berg, et devraient donner lieu à de forts effets

V,

+

⁺

R7 = > 0,125

v,

+

+

< ⁺

< ⁺

R, = - > 0,375 .

v,

+

+

Le signal observé dans l'expérience est au niveau de ces prédictions. Cependant, des interactions de neutrons ou de K: produits par des interactions de neutrinos en dehors du volume visible pourraient simuler ces réactions. Ce bruit de fond est actuellement étudié suivant deux directions générales : a) la dis- tribution spatiale et directionnelle des événements devrait révéler leur nature hadronique (faible lon- gueur d'interaction) ou neutrinique (longueur d'in- teraction très grande) ; b) le calcul des événements

de bruit de fond attendus peut être effectué à partir des neutrons et des K0 produits dans des interactions visibles dans la chambre.

Des limites approximatives peuvent être données actuellement :

compte tenu des corrections estimées dues aux cou- pures en énergie hadronique (voir Fig. 8). Notons que ces limites contraignent le modèle de Weinberg à :

4. Conclusion Dour les interactions AS = 0. -

De l'étude des interactions A S = O, aussi bien lepto- niques que semi-leptoniques, on peut conclure que les expériences actuelles ne peuvent exclure le modèle de Weinberg. Cependant, aussi bien pour la limite inférieure que pour la limite supérieure de sin2 O,, il y a plus qu'une expérience qui permet de limiter par valeurs inférieures et supérieures l'angle de Weinberg :

L'information qui proviendra de plusieurs expé- riences devrait pouvoir trancher dans les mois ou les années à venir la question de l'existence des cou- rants neutres dans le cadre de cette théorie.

5. Interactions faibles AS = 1. - A l'inverse de ce qui se passe pour les interactions A S = O, il existe des limites très fortes sur l'existence des courants neutres dans les réactions A S = 1.

Ces limites proviennent essentiellement des désin- tégrations des mésons K. Dans le tableau III [13],on a donné les taux des désintégrations en 2 et 3 corps qui peuvent être induites par des courants neutres.

Les constantes de couplage, qui dépendent des modèles, sont en tout cas très inférieures à celles des courants chargés.

TABLEAU III

Interactions faibles AS = 1

K+ -+ n + e+ e- < 9 x 1ob7 Camerini, ... (1964) K+ -+ n f ^p- < 3 x 1 0 - ~ Camerini, ... (1965) K + + n ⁺ v v < 1,l x IO-^ Cline (1965) Ks ^-+ ef e- < 3,5 x Bohm (1969) Ks ^{+ @ + ,CL-} < 3,l x Gjesdal (1973) KL + II+ p- < 1,s x Clark (1971) KL ^-) P+ P- ⁼ 11 f SI'~ 10

-'

K~ + P+ er < 1,6 x IO-^ ^{Clark (1 97 1)}

K, + e+ e- < 1,6 x 1 0 - ~ Clark (1971) Z+ + pe+ e- < 7 x 1 0 - ~ Ang (1961)

(zf ⁺ PY = 1,2 x IO-^) Particle table

5.1 PROBLÈME DES K: ^-+ p+ p - , K: ^-+ p+ p - . - Un problème a été posé récemment par l'existence d'une limite supérieure très basse pour la désinté- gration du K: en 2 muons : KL ^-t p f p- < 1,s x IO-' par A. Clark [18]. Cette limite est inférieure aux limites théoriques déduites de I'unitarité. Par des phénomènes d'interférence négative, les théoriciens n'ont pu abaisser cette dernière pour la rendre compatible avec l'expérience. En même temps, un faible taux K t

-+o<

D'abord Carither et al. [19] ont actuellement 6 candidats pour la désintégration K: -+ p+ p- et donne une valeur :

(K:-+~+ p - ) = 1 1 ⁾ - 10 x IO-' à 90 % de confiance .

5

D'autre part, Gjesdal et al. [17] trouvent une limite supérieure (K: ^-t p' p - ) < 1,l x qui se trouve être sensiblement la limite inférieure prévue par ce mode dans le cas où le taux K: -+ p+ p- est « infé- rieur » aux limites d'unitarité.

A notre connaissance, il n'existe pas de caracté- ristique d'appareillage très différente pour chacune des trois expériences sur les modes K:, K: -> p f p - . 11 s'agit dans ces trois cas d'un double spectromètre avec absorbeur pour l'identification pion-muon.

11 faut noter que d'autres expériences sont prévues pour mesurer le taux K; + p+ p - afin d'apporter

particulier sera apporté à l'identification des secon- daires par l'adjonction d'une double analyse en moment.

En tout état de cause, comme nous l'avons noté ces taux sont extrêmement faibles comparés à ceux induits par les courants chargés.

6. Conclusion. - En ce qui concerne les interac- tions faibles A S = O, aussi bien leptoniques que semi- leptoniques, l'existence des courants neutres à un niveau relativement élevé ne peut être exclu. Dans le cadre du modèle de Weinberg, qui donne des prédictions strictes, les limites correspondent à :

0,25 < sin2 8, < 0,6 .

Au contraire, en ce qui concerne les interactions faibles A S = 1, les limites provenant surtout des désintégrations des kaons impliquent des constantes de couplage très faibles pour les courants neutres.

Si les courants neutres existaient, ces considérations conduiraient évidemment à remettre en question ou à trouver une généralisation de la notion d'universalité qui est incorporée à l a théorie de Cabibbo. Les pro- chaines années devraient apporter, par les expériences en cours, des réponses définitives au sujet des théories des interactions faibles et électromagnétiques renor- malisables, dans le cas des courants neutres. De nouvelles expériences devraient aussi donner des informations sur l'existence des leptons lourds, ou tout au moins des limites inférieures pour leurs masses.

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