Les travailleurs ont mis en place un test à haute tension dans le prototype de détecteur à argon liquide DUNE de 35 tonnes. DUNE consistera finalement à diriger un faisceau de neutrinos très intense vers de grands réservoirs d'argon ultrapur pour induire des collisions entre les neutrinos et les atomes d'argon. Reidar Hahn/Laboratoire Fermi La construction de la prochaine grande expérience américaine de physique des particules a commencé cet été. L'expérience Deep Underground Neutrino, ou DUNE, étudiera quelques particules subatomiques sérieusement fantomatiques. L'expérience souterraine impliquera de tirer un puissant faisceau de neutrinos à travers le manteau terrestre - atteignant une profondeur maximale de 30 miles (48 kilomètres) - et peut-être de débloquer certains des plus grands mystères de notre univers dans le processus.
L'expérience, géré et financé par une collaboration internationale, s'étendra sur 800 milles (1, 300 kilomètres), en commençant par le Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) à Batavia, Illinois, et se terminant à plus d'un kilomètre sous terre sous une mine d'or abandonnée à Lead, Dakota du Sud. Une fois terminé, DUNE fera partie de la Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF), une installation à deux sites qui débutera au Fermilab dans l'Illinois et se terminera à l'installation de recherche souterraine de Sanford (SURF) dans le Dakota du Sud.
Carte de suivi de l'expérience Deep Underground Neutrino Diana Brandonisio/Fermilab
Huit cents milles (1, 287 kilomètres) de roche est sans conséquence pour les neutrinos. Ces étranges particules subatomiques sont des fermions qui ont une masse très faible et une charge nulle. Ils voyagent à une vitesse proche de la vitesse de la lumière (car ce sont les particules de masse les plus faibles connues) et interagissent extrêmement faiblement avec la matière normale. Ils inondent notre univers et parcourent tout sur leur passage, que ce soit nous ou des kilomètres de roche.
Comment les scientifiques savent-ils que ces choses existent si elles sont si fantomatiques ? C'est là qu'interviennent les détecteurs cryogéniques de la taille d'un bâtiment. DUNE maintiendra deux détecteurs souterrains, l'un sera à proximité de la source Fermilab (appelée "détecteur proche"), et l'autre résidera dans une immense installation à SURF (le "détecteur lointain"). Après une mise à niveau des installations du Fermilab, le faisceau de neutrinos de la plus haute intensité jamais produit au monde sera dirigé à travers le détecteur proche et croisera le détecteur lointain - composé de quatre massifs, réservoirs d'argon liquide refroidis par cryogénie. Quelle masse ? Chaque char aura six étages de haut et un terrain de football long, et contiendra 18, 739 tonnes (17, 000 tonnes) d'argon liquide surfondu.
C'est quoi l'argon ? Bien, les neutrinos interagissent faiblement, mais ils le font très occasionnellement frapper directement avec les noyaux atomiques contenus dans la matière. Donc, en pointant un faisceau de neutrinos très intense sur des réservoirs suffisamment grands d'argon ultrapur, une très faible proportion des particules fantomatiques, par pur hasard, frapper les atomes d'argon. Lorsque des collisions surviennent, des détecteurs ultrasensibles à l'intérieur des cuves noteront un flash (appelé scintillation) puis l'interaction pourra être étudiée. Mais comme ces détecteurs sont si sensibles et que les interactions sont très petites, Les détecteurs de neutrinos sont généralement enfouis profondément sous terre pour les protéger des interférences des rayons cosmiques et d'autres rayonnements qui feraient des ravages s'ils étaient exposés à la surface.
Ces interactions faibles pourraient nous ouvrir les yeux sur une nouvelle physique et renforceront notre compréhension de l'une des particules les moins comprises de la physique quantique.
Cette photo a été prise lors de la Semaine d'action neutrino du Fermilab. Les scientifiques y ont affaire aux neutrinos depuis les années 1970. Jill Preston/Fermilab Les scientifiques aiment les neutrinos pour de nombreuses raisons. En voici un :ils fournissent un lien direct entre nous et le noyau de notre soleil. Au cours des processus de fusion nucléaire, des neutrinos et des photons de haute énergie sont produits. Les photons sont absorbés lorsqu'ils entrent en collision avec le plasma solaire dense, puis réémis à une énergie plus faible (un processus qui se répète jusqu'à un million d'années avant que l'énergie du noyau solaire ne soit finalement émise sous forme de lumière que nous voyons), mais les neutrinos jailliront directement du cœur du soleil, à travers le plasma dense et atteindre la Terre en quelques minutes. Donc, si les physiciens veulent connaître l'environnement de fusion au centre de notre soleil à l'heure actuelle , ils se transformeront en neutrinos solaires.
Mais il y a une tournure mystérieuse aux neutrinos solaires.
Comme nous le savons, les neutrinos se présentent sous trois « saveurs » :le neutrino électronique, neutrino muonique et neutrino tau – et leurs antiparticules. Pendant que les neutrinos voyagent, ils « oscillent » entre les trois saveurs, comme un caméléon changerait de couleur en réponse à la couleur de son environnement.
Le soleil n'est capable de générer des neutrinos électroniques que dans son noyau, cependant, alors quand les physiciens se sont mis à détecter ces minuscules apparitions à l'aide des premiers détecteurs ultra-sensibles dans les années 1960, ils ont détecté beaucoup moins de neutrinos que la théorie ne le prévoyait. Dans un travail lauréat du prix Nobel, les physiciens ont finalement trouvé la raison. Il s'avère que les neutrinos électroniques produits par la fusion du soleil oscillent naturellement entre les saveurs des neutrinos - électron, muon et tau. Comme les détecteurs ne pouvaient observer que les neutrinos électroniques, les neutrinos du muon et du tau n'ont pas été détectés. Il n'y avait pas de carence anormale en neutrinos d'électrons solaires – ils avaient simplement changé de saveur lorsqu'ils ont atteint le détecteur.
Ce qui nous ramène à DUNE. Nous avons besoin d'une expérience contrôlée sur Terre comme DUNE pour comprendre ces changements de saveur. Au cours de l'expérimentation, la saveur des neutrinos produits par l'accélérateur de particules du Fermilab sera mesurée dès leur envoi vers la mine d'or reconvertie du Dakota du Sud. Les neutrinos reçus à SURF peuvent alors être comparés à ceux qui ont été envoyés, et une nouvelle compréhension de la nature quantique des neutrinos pourrait être forgée. Les scientifiques mesureront précisément les masses de ces neutrinos. Ils peuvent même découvrir d'autres neutrinos au-delà des trois saveurs connues.
DUNE ira bien au-delà de l'étude des oscillations des neutrinos. Cela pourrait nous aider à comprendre le mystère pas si petit de comment notre univers existe même . Cela peut sembler un dilemme philosophique, mais le fait que notre univers soit composé principalement de matière et non d'antimatière est l'une des plus grandes questions qui pèsent sur la science moderne.
Pendant le Big Bang, il y a 13,8 milliards d'années, la matière et l'antimatière auraient dû être créées à parts égales. Bien sûr, nous savons tous ce qui se passe lorsque la matière et l'antimatière se rencontrent - ça explose, ou annihile, ne laissant que de l'énergie derrière. Donc, si le Big Bang produisait des parts égales de matière et d'antimatière, il n'y aurait rien ici.
Le fait que nous SOMMES ici signifie que l'univers a produit un peu plus de matière que d'antimatière, alors quand tout cet anéantissement s'est produit à la naissance de l'univers, la matière l'a emporté et l'antimatière est devenue une rareté extrême. Cela signifie que certaines lois physiques de base ont été enfreintes lors du Big Bang, une énigme que les physiciens appellent une violation de la symétrie charge-parité - ou une "violation CP". Les accélérateurs de particules comme le Large Hadron Collider peuvent tester pourquoi la nature préfère la matière à l'antimatière, et DUNE le fera, trop, en expérimentant les neutrinos et leur partenaire antimatière, l'antineutrino.
Le faisceau de neutrinos de l'usine de production du Laboratoire Fermi devrait être opérationnel d'ici 2026, et la construction du détecteur DUNE final devrait être terminée d'ici 2027. On espère que nous pourrions être sur le point d'être sur le point d'une autre découverte de type Higgs.
Maintenant c'est intéressantSi vous envisagez de produire le faisceau de neutrinos le plus intense au monde, vous allez avoir besoin d'enrôler quelques scientifiques. DUNE a amassé 1, 000 collaborateurs de 30 pays différents. Avec ces chiffres, il rejoint les rangs des très grandes expériences, dont plusieurs sont menées au Grand collisionneur de hadrons.
