Des signes de neutrinos détectés pour la première fois au LHC

détecteur neutrinos FASER CERN
Le détecteur FASER, installé au LHC. | CERN
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C’est une grande première pour la physique des particules : une équipe internationale, dirigée par des physiciens de l’Université de Californie à Irvine, a réalisé lors d’un essai pilote la toute première détection de « candidats neutrinos » produits par le grand collisionneur de hadrons du CERN. Cet événement majeur ouvre la voie aux mesures de neutrinos à haute énergie dans les collisionneurs actuels et futurs.

Le détecteur de particules FASER, conçu pour rechercher des particules légères à interaction extrêmement faible, a reçu l’approbation du CERN pour être installé sur le Grand collisionneur de hadrons (LHC) en 2019. Les premiers travaux ont débuté en mai 2020 et il a récemment été complété par un instrument spécialement conçu pour détecter les neutrinos, noté FASERν. Aucun neutrino produit dans un collisionneur de particules n’a jamais pu être détecté — alors que les collisionneurs en produisent en grand nombre et à des énergies élevées.

Le détecteur est désormais quasiment prêt à fonctionner et l’expérience dans son ensemble commencera à acquérir des données à compter de 2022 ; il devrait être capable de détecter des milliers d’interactions de neutrinos au cours des trois prochaines années, selon les chercheurs. L’équipe FASER (Forward Search Experiment), dirigée par l’Université de Californie d’Irvine (UCI), rapporte aujourd’hui avoir observé six interactions de neutrinos lors d’un essai pilote d’un détecteur plus petit et de même type, installé au LHC en 2018. Les résultats obtenus avec ce prototype constituent un premier aperçu des particules insaisissables générées dans un collisionneur.

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Les neutrinos sont des particules très légères (leur masse est mille milliards de fois plus faible que celle du quark top), mais aussi électriquement neutres et quasiment inertes. Ils interagissent rarement avec la matière ordinaire, c’est pourquoi ils sont particulièrement difficiles à détecter. Pourtant, ils pourraient être la clef de nombreux mystères entourant l’origine et l’évolution du cosmos.

En 2018, un détecteur pilote utilisant des films d’émulsion a été installé le long de la trajectoire du faisceau de protons, 480 mètres en aval du détecteur ATLAS — l’un des deux détecteurs polyvalents du LHC, situé dans une caverne à 100 mètres sous terre. Ce prototype était constitué de plaques de plomb et de tungstène, alternées avec des films d’émulsion.

Lors des collisions de particules, certains des neutrinos produits se brisent dans les noyaux des métaux denses, créant des particules qui traversent les couches d’émulsion et créent des marques qui apparaissent après traitement. Ces « gravures » fournissent des indices sur les énergies des particules, leurs saveurs (tau, muon ou électron) et permettent de déterminer s’il s’agit de neutrinos ou d’antineutrinos.

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L’expérience FASER est située à 480 mètres du point d’interaction ATLAS au LHC. Selon Jonathan Feng, co-responsable de la collaboration FASER, il s’agit d’un bon emplacement pour détecter les neutrinos résultant de collisions de particules dans l’installation. © CERN

Ce détecteur a collecté 12,2 fb-1 de données de collision proton-proton à une énergie de centre de masse de 13 TeV. Le femtobarn inverse (fb-1), indique le nombre cumulé de collisions possibles ; un femtobarn inverse correspond à environ 80 millions de millions de collisions. Parmi ces données, les chercheurs ont identifié six interactions de neutrinos. « 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 », a déclaré Jonathan Feng, professeur émérite de physique et d’astronomie à l’UCI et co-responsable de la collaboration FASER.

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Plus de 10 000 interactions de neutrinos bientôt détectées

Ces résultats préliminaires ont fourni deux informations essentielles aux scientifiques : d’une part, ils ont permis de confirmer que l’emplacement sélectionné — en aval du point d’interaction ATLAS — est idéal pour détecter les neutrinos ; d’autre part, ils démontrent que l’utilisation d’un détecteur à émulsion est particulièrement efficace pour observer ce type d’interactions de neutrinos. L’émulsion fonctionne d’une manière similaire à la photographie argentique : lorsqu’un film est exposé à la lumière, les photons laissent des traces qui se révèlent sous forme de motifs lorsque le film est développé. De la même manière, les chercheurs de FASER ont pu observer les interactions entre les neutrinos après avoir retiré et développé les couches d’émulsion du détecteur.

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Depuis 2019, Feng et ses collaborateurs se préparent à mener une expérience avec les instruments FASER pour étudier la matière noire au LHC. Ils espèrent détecter des photons sombres, ce qui donnerait aux chercheurs un premier aperçu de la façon dont la matière noire interagit avec les atomes et les autres matières de l’Univers visible via des forces non gravitationnelles. Grâce aux résultats de l’essai pilote, l’équipe peut se préparer à lancer une nouvelle série d’expériences avec un instrument complet, beaucoup plus grand et beaucoup plus sensible.

Le prototype de détecteur pesait environ 29 kg ; l’instrument FASERν pèse quant à lui plus d’une tonne et sera beaucoup plus réactif et capable de différencier les variétés de neutrinos. « Compte tenu de la puissance de notre nouveau détecteur et de son emplacement privilégié au CERN, nous prévoyons de pouvoir enregistrer plus de 10 000 interactions de neutrinos dans le prochain cycle du LHC, à partir de 2022 », a déclaré David Casper, co-responsable du projet FASER.

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Selon le physicien, il n’y a eu qu’une dizaine d’observations de neutrinos tau dans toute l’histoire de l’humanité, mais son équipe pourrait doubler, voire tripler ce nombre au cours des trois prochaines années. Les chercheurs sont en outre susceptibles de détecter les neutrinos les plus énergétiques qui n’aient jamais été produits à partir d’une source artificielle.

Source : Physical Review D., FASER Collaboration

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