Pendant le fonctionnement normal de la source de neutrons de spallation, une installation utilisatrice du département de l'Énergie des États-Unis au Oak Ridge National Laboratory, cette « usine à neutrons » de classe mondiale produit également des neutrinos en grande quantité. Crédit :Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie ; le photographe Jason Richards
En 1974, un physicien du Fermilab a prédit une nouvelle façon pour les particules fantomatiques appelées neutrinos d'interagir avec la matière. Plus de quatre décennies plus tard, une équipe de physiciens dirigée par UChicago a construit le plus petit détecteur de neutrinos au monde pour observer l'interaction insaisissable pour la première fois.
Les neutrinos sont un défi à étudier car leurs interactions avec la matière sont si rares. Particulièrement insaisissable a été ce qu'on appelle la diffusion élastique cohérente neutrino-noyau, qui se produit lorsqu'un neutrino heurte le noyau d'un atome.
La Collaboration internationale COHERENT, qui comprend des physiciens à UChicago, a détecté le processus de diffusion à l'aide d'un détecteur suffisamment petit et léger pour être transporté par un chercheur. Leurs découvertes, qui confirment la théorie de Daniel Freedman du Fermilab, ont été rapportés le 3 août dans le journal Science .
« Pourquoi a-t-il fallu 43 ans pour observer cette interaction ? » a demandé au co-auteur Juan Collar, UChicago professeur de physique. "Ce qui se passe est très subtil." Freedman n'a pas vu beaucoup de chance de confirmation expérimentale, écrit à l'époque :« Notre suggestion peut être un acte d'orgueil, car les contraintes inévitables de taux d'interaction, la résolution et l'arrière-plan posent de graves difficultés expérimentales."
Lorsqu'un neutrino heurte le noyau d'un atome, ça crée un tout petit, recul à peine mesurable. Fabriquer un détecteur à partir d'éléments lourds comme l'iode, le césium ou le xénon augmente considérablement la probabilité de ce nouveau mode d'interaction des neutrinos, par rapport à d'autres processus. Mais il y a un compromis, puisque les minuscules reculs nucléaires qui en résultent deviennent plus difficiles à détecter à mesure que le noyau devient plus lourd.
"Imaginez que vos neutrinos soient des balles de ping-pong frappant une boule de bowling. Ils ne vont donner qu'un tout petit élan supplémentaire à cette boule de bowling, " dit Collier.
Les chercheurs Bjorn Scholz (à gauche) et Grayson Rich (à droite) avec le plus petit détecteur de neutrinos au monde alors qu'il est installé le long de la « allée des neutrinos » à la source de neutrons de spallation du laboratoire national d'Oak Ridge dans le Tennessee. Crédit :Juan Collar/Université de Chicago
Pour détecter ce petit recul, Collar et ses collègues ont découvert qu'un cristal d'iodure de césium dopé au sodium était le matériau parfait. La découverte a conduit les scientifiques à se débarrasser du lourd, détecteurs gigantesques courants dans la recherche sur les neutrinos pour un détecteur de taille similaire à un grille-pain.
Pas de laboratoire gigantesque
Le détecteur de 4 pouces sur 13 pouces utilisé pour produire le Science résultats ne pèse que 32 livres (14,5 kilogrammes). En comparaison, les observatoires de neutrinos les plus célèbres au monde sont équipés de milliers de tonnes de matériel de détection.
"Vous n'avez pas besoin de construire un gigantesque laboratoire autour de lui, " a déclaré Bjorn Scholz, doctorant à UChicago, dont la thèse contiendra le résultat rapporté dans le Science papier. "On peut maintenant penser à construire d'autres petits détecteurs qui pourront ensuite être utilisés, par exemple pour surveiller le flux de neutrinos dans les centrales nucléaires. Vous venez de mettre un joli petit détecteur à l'extérieur, et vous pouvez le mesurer in situ."
physiciens des neutrinos, pendant ce temps, sont intéressés à utiliser la technologie pour mieux comprendre les propriétés de la particule mystérieuse.
"Les neutrinos sont l'une des particules les plus mystérieuses, " dit Collar. " Nous ignorons beaucoup de choses à leur sujet. Nous savons qu'ils ont une masse, mais nous ne savons pas exactement combien.
Collier Juan, professeur de physique à l'Université de Chicago, avec un prototype du plus petit détecteur de neutrinos au monde utilisé pour observer pour la première fois une interaction insaisissable connue sous le nom de diffusion élastique cohérente du noyau de neutrinos. Crédit :Jean Lachat/Université de Chicago
En mesurant la diffusion élastique cohérente neutrino-noyau, les physiciens espèrent répondre à de telles questions. La collaboration COHERENT Science papier, par exemple, impose des limites aux nouveaux types d'interactions neutrino-quark qui ont été proposés.
Les résultats ont également des implications dans la recherche de particules massives à interaction faible. Les WIMPs sont des particules candidates pour la matière noire, qui est un matériau invisible de composition inconnue qui représente 85 pour cent de la masse de l'univers.
"Ce que nous avons observé avec les neutrinos, c'est le même processus qui devrait être en jeu dans tous les détecteurs WIMP que nous avons construits, " dit Collier.
Allée des neutrinos
La Collaboration COHÉRENTE, qui implique 90 scientifiques dans 18 institutions, a mené sa recherche sur la diffusion cohérente des neutrinos à la source de neutrons de spallation du laboratoire national d'Oak Ridge dans le Tennessee. Les chercheurs ont installé leurs détecteurs dans un couloir du sous-sol qui est devenu connu sous le nom de « allée des neutrinos ». Ce couloir est fortement protégé par le fer et le béton de la zone cible du faisceau de neutrons hautement radioactifs, à seulement 20 mètres (moins de 25 mètres).
Cette allée de neutrinos a résolu un problème majeur pour la détection des neutrinos :elle filtre presque tous les neutrons générés par la source de neutrons de spallation, mais les neutrinos peuvent encore atteindre les détecteurs. Cela permet aux chercheurs de voir plus clairement les interactions des neutrinos dans leurs données. Ailleurs, ils seraient facilement noyés par les détections de neutrons plus importantes.
La source de neutrons de spallation génère les faisceaux de neutrons pulsés les plus intenses au monde pour la recherche scientifique et le développement industriel. Dans le processus de génération de neutrons, le SNS produit également des neutrinos, mais en plus petites quantités.
"Vous pourriez utiliser un type plus sophistiqué de détecteur de neutrinos, mais pas le bon type de source de neutrinos, et vous ne verriez pas ce processus, " a dit Collar. " C'est le mariage d'une source idéale et d'un détecteur idéal qui a fait fonctionner l'expérience. "
Deux des anciens étudiants diplômés de Collar sont co-auteurs de l'article scientifique :Phillip Barbeau, AB'01, SB'01, Doctorat'09, maintenant professeur adjoint de physique à l'Université Duke; et Nicole Champs, PhD'15, maintenant physicien de la santé à la Commission de réglementation nucléaire des États-Unis à Chicago.
Le développement d'un détecteur de neutrinos compact concrétise l'idée que l'ancien élève d'UCicago Leo Stodolsky, SM'58, Doctorat'64, proposé en 1984. Stodolsky et Andrzej Drukier, tous deux de l'Institut Max Planck de physique et d'astrophysique en Allemagne, noté qu'un détecteur cohérent serait relativement petit et compact, contrairement aux détecteurs de neutrinos plus courants contenant des milliers de gallons d'eau ou de scintillateur liquide. Dans leur travail, ils ont prédit l'arrivée des futures technologies neutrinos rendues possibles par la miniaturisation des détecteurs.
Scholz, l'étudiant diplômé UChicago, a salué les scientifiques qui ont travaillé pendant des décennies pour créer la technologie qui a abouti à la détection de la diffusion cohérente des neutrinos.
"Je ne peux pas comprendre ce qu'ils doivent ressentir maintenant que cela a finalement été détecté, et ils ont atteint l'un de leurs objectifs de vie, " a déclaré Scholz. "Je suis arrivé à la fin de la course. Nous devons certainement donner crédit à tout le travail formidable que les gens ont fait avant nous."
