Pour la première fois, des neutrinos en interaction ont été détectés au LHC

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| LHC

Bien qu’il en produise en abondance quotidiennement, le LHC n’a jamais été mesure de détecter directement des neutrinos. Ces particules de masse extrêmement faible n’interagissent en effet pratiquement pas avec la matière, les rendant complexes à détecter. Mais récemment, des physiciens de l’expérience FASER ont rapporté avoir, pour la première fois, détecté des neutrinos en interaction au sein du collisionneur. Ce résultat permettra aux physiciens d’ajuster les paramètres de détection du LHC pour mieux étudier ces particules insaisissables. 

Dans une expérience de validation de principe, les premières preuves d’interactions des neutrinos au LHC ont été repérées, rapportent les chercheurs de la collaboration FASER dans un article publié sur le serveur de préimpression arXiv. La technique pourrait ouvrir une fenêtre sur les neutrinos à des énergies pour lesquelles les interactions des particules sont mal comprises.

Détection de neutrinos en interaction

C’est le premier aperçu de neutrinos produits dans un collisionneur de particules. Les physiciens ont détecté les neutrinos au sein des accélérateurs de particules en envoyant un faisceau de particules sur une cible stationnaire, mais pas lors de collisions entre particules. La recherche de neutrinos dans les collisions de particules permet aux scientifiques de sonder des énergies plus élevées, mais cela rend également les neutrinos plus difficiles à étudier.

Pour capturer l’interaction des neutrinos, les chercheurs ont utilisé un détecteur contenant des films similaires à ceux utilisés pour la photographie. Lorsqu’une particule chargée passe à travers un film, elle laisse une trace indiquant l’endroit où elle se trouvait. Les neutrinos, qui n’ont pas de charge électrique, ne laissent pas de traces dans le détecteur. Mais lorsqu’un neutrino interagit avec de la matière à l’intérieur du détecteur, il produit une cascade de particules chargées qui indiquent un neutrino comme source.

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Schéma de l’expérience PHASER. Le détecteur de neutrinos FASERν se trouve à l’extrémité avant de FASER. Il se compose de nombreuses couches de films d’émulsion entrelacées avec des plaques de tungstène comme matériau cible pour les interactions des neutrinos. © FASER Collaboration

Les chercheurs ont placé leur détecteur dans une région que les neutrinos traversent lorsqu’ils sont éjectés des collisions de particules dans le détecteur ATLAS du LHC. Après avoir estimé combien de détections pourraient être dues à d’autres particules qui peuvent imiter les neutrinos, les chercheurs ont rapporté avoir capturé environ six interactions de neutrinos.

FASERν : une expérience pour étudier en détail les neutrinos

Le LHC, situé près de Genève, a été arrêté pour mise à niveau depuis 2018. L’expérience, réalisée peu de temps avant l’arrêt, a servi de test pour une future expérience, appelée FASERν, qui débutera lorsque le LHC redémarrera en 2022. FASERν devrait détecter environ 10 000 neutrinos au cours de la prochaine période d’exploitation du LHC, de 2022 à 2024.

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Avec FASERν, les chercheurs mesureront les sections efficaces des neutrinos, une mesure de la probabilité que les particules interagissent avec le détecteur. C’est important pour pouvoir effectuer d’autres mesures sur les neutrinos. Par exemple, les chercheurs peuvent en apprendre davantage sur la production de neutrinos énergétiques dans l’explosion d’étoiles et d’autres sources cosmiques, en les détectant sur Terre.

Mais pour déterminer la prévalence de ces neutrinos, les physiciens doivent savoir dans quelle mesure ces derniers sont susceptibles d’interagir avec les détecteurs. Les sections transversales dépendent de l’énergie des particules, et au LHC, « nous pouvons étudier la gamme d’énergie que nous n’avons pas étudiée », déclare le physicien des particules Tomoko Ariga de l’université Kyushu de Fukuoka, au Japon, membre de la collaboration FASER.

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Ce n’est pas une surprise de trouver des neutrinos au LHC. « Ce n’est pas un résultat bouleversant », explique la physicienne des particules Deborah Harris de l’Université York, qui n’a pas participé à la recherche. Au lieu de cela, il montre que la détection des neutrinos au LHC est possible.

Sources : arXiv

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