Des physiciens détectent pour la première fois des neutrinos à l’aide du grand collisionneur de hadrons
Une étape majeure de la physique des particules vient d’être franchie au Grand collisionneur de hadrons (LHC).
Pour la première fois, des neutrinos candidats ont été détectés, non seulement au LHC, mais dans n’importe quel collisionneur de particules.
Les six interactions de neutrinos, détectées à l’aide du sous-détecteur de neutrinos FASERnu, démontrent non seulement la faisabilité de la technologie, mais elles ouvrent une nouvelle voie pour l’étude de ces mystérieuses particules à haute énergie.
Image d’entête : L’expérience FASER dans le Grand collisionneur de hadrons du CERN en Suisse. (CERN)
Selon le physicien Jonathan Feng de l’Université de Californie à Irvine, codirecteur de la collaboration FASER :
Avant ce projet, aucun signe de neutrinos n’avait jamais été observé dans un collisionneur de particules. Cette percée significative est une étape vers le développement d’une compréhension plus profonde de ces particules insaisissables et du rôle qu’elles jouent dans l’Univers.
Les neutrinos sont en fait partout. Ils sont l’une des particules subatomiques les plus abondantes dans l’Univers, mais ils ne portent aucune charge et ont une masse presque nulle. Ainsi, bien qu’ils traversent l’Univers à la vitesse de la lumière, ils n’interagissent pratiquement pas avec lui. Des milliards d’entre elles vous traversent en ce moment même. Pour un neutrino, le reste de l’Univers est pratiquement incorporel, c’est pourquoi on les appelle aussi les particules fantômes.
Bien qu’ils interagissent rarement, cela ne veut pas dire jamais. Les détecteurs tels que le IceCube en Antarctique, le Super-Kamiokande au Japon et MiniBooNE au Fermilab dans l’Illinois utilisent des réseaux de photodétecteurs sensibles conçus pour capter les gerbes de lumière qui apparaissent lorsqu’un neutrino interagit avec d’autres particules dans un environnement totalement sombre, par exemple.
Mais depuis longtemps, les scientifiques souhaitent également étudier les neutrinos produits dans les collisionneurs/ accélérateurs de particules. En effet, les neutrinos des collisionneurs, qui proviennent principalement de la désintégration des hadrons, sont produits à des énergies très élevées, qui ne sont pas très bien étudiées. La détection des neutrinos de collision donne accès à des énergies et des types de neutrinos rarement observés ailleurs.
FASERnu est ce que l’on appelle un détecteur à émulsion. Des plaques de plomb et de tungstène sont alternées avec des couches d’émulsion : pendant les expériences sur les particules au LHC, les neutrinos peuvent entrer en collision avec les noyaux des plaques de plomb et de tungstène, produisant des particules qui laissent des traces dans les couches d’émulsion.
L’expérience FASER est située à 480 mètres du point d’interaction ATLAS du Grand collisionneur de hadrons. Il s’agit d’un bon emplacement pour détecter les neutrinos résultant des collisions de particules dans l’installation. (CERN)
(CERN)
L’expérience FASER dans le Grand collisionneur de hadrons du CERN en Suisse. (CERN)
Les plaques doivent être développées comme un film photographique. Ensuite, les physiciens peuvent analyser les traces de particules pour découvrir ce qui les a produites, s’il s’agissait d’un neutrino et quelle était la « saveur« , ou le type, de ce neutrino. Il existe trois saveurs de neutrinos : l’électron, le muon et le tau, ainsi que leurs équivalents antineutrinos.
Lors de la campagne pilote FASERnu menée en 2018, six interactions de neutrinos candidats ont été relevées dans les couches d’émulsion. Cela peut sembler peu, compte tenu du nombre de particules produites lors d’une série au LHC, mais cela a donné à la collaboration deux informations essentielles.
Toujours selon Feng :
Premièrement, cela a permis de vérifier que la position à l’avant du point d’interaction ATLAS au LHC est le bon endroit pour détecter les neutrinos du collisionneur. Deuxièmement, nos efforts ont démontré l’efficacité de l’utilisation d’un détecteur à émulsion pour observer ces types d’interactions de neutrinos.
Le détecteur pilote est un appareil relativement petit, d’environ 29 kilogrammes. L’équipe travaille actuellement sur la version complète, d’environ 1 100 kilogrammes. Cet instrument sera nettement plus sensible et permettra aux chercheurs de différencier les saveurs des neutrinos de leurs antineutrinos.
Ils s’attendent à ce que le troisième cycle d’observation du Grand collisionneur de hadrons produise 200 milliards de neutrinos électroniques, 6 trillions de neutrinos muoniques et 9 milliards de neutrinos tau, ainsi que leurs antineutrinos. Étant donné qu’à ce jour, nous n’avons détecté qu’une dizaine de neutrinos tau au total, il s’agit là d’un événement considérable.
La collaboration vise également une cible encore plus insaisissable. Ils espèrent détecter des photons sombres, qui sont pour l’instant hypothétiques, mais qui pourraient contribuer à révéler la nature de la matière noire, cette mystérieuse masse directement indétectable qui constitue la majeure partie de la matière de l’Univers.
Mais les détections de neutrinos constituent à elles seules un pas en avant extrêmement interessant pour notre compréhension des composants fondamentaux de l’Univers.
Selon le physicien et astronome David Casper, de l’université de Californie à Irvine, codirecteur du projet FASER :
Compte tenu de la puissance de notre nouveau détecteur et de son emplacement privilégié au CERN, nous espérons pouvoir enregistrer plus de 10 000 interactions de neutrinos lors de la prochaine phase du LHC, qui débutera en 2022. Nous détecterons les neutrinos de plus haute énergie jamais produits par une source humaine.
L’étude publiée dans Physical Review D : First neutrino interaction candidates at the LHC et présentée sur le site de l’université de Californie à Irvine : UCI-led team of physicists detects signs of neutrinos at Large Hadron Collider.