Sauf dans les films d'horreur, la plupart des expériences scientifiques ne commencent pas par des scientifiques fouillant dans les rues étroites, couloirs déserts. Mais un emplacement caché dans les recoins du laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du ministère de l'Énergie (DOE) a fourni exactement ce que recherchait Yuri Efremenko.

Efremenko, chercheur de l'ORNL et professeur à l'Université du Tennessee à Knoxville, est le porte-parole de l'expérience COHERENT, qui étudie les neutrinos. L'équipe utilise cinq détecteurs de particules pour identifier une interaction spécifique entre les neutrinos et les noyaux atomiques. Les particules les plus abondantes de l'univers, les neutrinos sont extrêmement légers et n'ont pas de charge électrique. Ils interagissent très peu avec les autres particules. En réalité, des milliards de milliards traversent la Terre chaque seconde, ne laissant aucune impression. Il va sans dire, ils sont notoirement difficiles à détecter.

En premier, l'équipe a étudié une zone animée près de la source de neutrons de spallation (SNS), une installation utilisateur du DOE Office of Science à ORNL dans le Tennessee. Les neutrons produits par le SNS entraînent 18 instruments différents qui entourent le SNS comme les rayons d'une roue. Le SNS produit également des neutrinos, qui s'envolent dans toutes les directions à partir de la cible de l'accélérateur de particules. Mais placer les détecteurs de neutrinos au même étage que le SNS exposerait les appareils à des particules de fond qui augmenteraient les incertitudes.

"Nous avons eu beaucoup de chance d'aller au sous-sol un jour, " a déclaré David Dean, Directeur de la Division Physique de l'ORNL. Après avoir déplacé quelques barils d'eau sur le côté et effectué des tests de fond, ils étaient en affaires. L'emplacement du sous-sol protégerait les machines de l'exposition aux particules de fond. Une fois que les scientifiques ont installé les détecteurs de l'expérience, ils ont surnommé le couloir "Neutrino Alley".

L'expérience, appelé COHÉRENT, contraste fortement avec la plupart des autres expériences sur les neutrinos. Pour apercevoir ces minuscules particules, la plupart des expériences utilisent des machines incroyablement grandes, souvent dans des endroits éloignés. L'un est situé au pôle Sud, tandis qu'un autre tire des faisceaux de neutrinos à des centaines de kilomètres d'un détecteur lointain. Outre son emplacement banal, Le détecteur principal de COHERENT est à peine plus gros qu'un pot à lait. En réalité, c'est le plus petit détecteur de neutrinos fonctionnel au monde.

Mais COHERENT et une expérience sœur à l'ORNL, PERSPECTIVE, montrent que les expériences sur les neutrinos n'ont pas besoin d'être énormes pour faire de grandes découvertes. Ces deux modestes expériences soutenues par le Bureau des sciences du DOE sont sur le point de combler des lacunes majeures dans notre compréhension de cette étrange particule.

Les mystères du neutrino

Alors que les neutrinos sont parmi les plus petites particules de l'univers, les étudier peut révéler des informations massives.

"Les neutrinos nous en disent énormément sur la façon dont l'univers est créé et maintenu ensemble, " dit Nathaniel Bowden, scientifique au Lawrence Livermore National Laboratory du DOE et co-porte-parole de PROSPECT. "Il n'y a pas d'autre moyen de répondre à beaucoup de questions que nous nous posons." Comprendre comment les neutrinos interagissent peut même nous aider à comprendre pourquoi la matière – et tout ce qui en est fait – existe.

Mais les neutrinos n'ont pas facilité la réponse à ces questions. Il existe trois types différents de neutrinos, dont chacun se comporte différemment. En outre, ils changent de type au fur et à mesure qu'ils voyagent. Certains scientifiques ont proposé une particule encore inconnue appelée le neutrino stérile. Les physiciens théorisent que s'il existe des neutrinos stériles, ils interagiraient encore moins avec les autres particules que les particules ordinaires. Cela les rendrait presque impossibles à détecter.

Mais c'est un grand "si". Un neutrino stérile serait la première particule non prédite par le modèle standard, résumé des physiciens sur le fonctionnement de l'univers.

"Les neutrinos peuvent détenir la clé pour découvrir la physique des particules au-delà du modèle standard, " a déclaré Karsten Heeger, professeur à l'Université de Yale et co-porte-parole de PROSPECT.

Rechercher une réponse cohérente avec COHERENT

Une équipe de scientifiques de l'ORNL, autres laboratoires nationaux du DOE, et les universités ont conçu l'expérience COHERENT pour identifier une interaction spécifique entre les neutrinos et les noyaux. Alors que les physiciens avaient prédit cette interaction il y a plus de 40 ans, ils ne l'avaient jamais détecté.

La plupart des neutrinos n'interagissent qu'avec des protons et des neutrons individuels. Mais si l'énergie d'un neutrino est suffisamment faible, il devrait interagir avec un noyau entier plutôt qu'avec ses parties individuelles. Les théoriciens ont proposé que lorsqu'un neutrino de basse énergie s'approche d'un noyau, les deux particules échangent une particule élémentaire appelée boson Z. Lorsque le neutrino libère le boson Z, le neutrino rebondit. Lorsque le noyau reçoit le boson Z, le noyau recule légèrement. Cette interaction est appelée diffusion élastique cohérente neutrino-noyau.

Parce que la plupart des noyaux sont beaucoup plus gros que des protons ou des neutrons individuels, les scientifiques devraient voir ce type d'interaction plus fréquemment que les interactions entraînées par des neutrinos de plus haute énergie. En « voyant » la minuscule énergie de recul, Les détecteurs de la taille d'un gallon de COHERENT permettent aux scientifiques d'étudier les propriétés des neutrinos.

"C'est plutôt cool que vous puissiez réellement voir une interaction de neutrinos avec quelque chose que vous pouvez tenir dans votre main, " a déclaré Kate Scholberg, un professeur de l'Université Duke et collaborateur sur COHERENT.

Mais rien de tout cela ne serait possible sans le SNS de l'ORNL. Les neutrinos produits par le SNS traversent le béton et le gravier pour atteindre le sous-sol de l'ORNL. Ils ont juste la bonne énergie pour induire cette interaction particulière. Le faisceau pulsé du SNS permet également aux scientifiques de filtrer le "bruit" de fond provenant d'autres particules.

"Il y a tout un flux de neutrinos qui était gaspillé, au SNS, pour ainsi dire. C'est la source parfaite pour une diffusion cohérente :le pyjama du chat, " dit Juan Collar, professeur et collaborateur de l'Université de Chicago sur COHERENT.

Après avoir couru pendant 15 mois, COHERENT a capturé des neutrinos en train de transmettre des bosons Z 134 fois.

Regardant par-dessus l'épaule de son étudiant diplômé alors qu'il analysait les données, Collar était ravi de voir que les résultats sont sortis exactement comme prévu. « Quand nous avons finalement examiné le traitement, jeu de données complet, nous sommes allés 'Wheeeeee !'", a-t-il dit.

La mesure de ce phénomène – la diffusion élastique neutrino-noyau – offre aux physiciens un nouvel outil polyvalent pour comprendre les neutrinos.

"Cela a ouvert notre fenêtre pour rechercher la physique au-delà du modèle standard, " a déclaré Efremenko.

En utilisant cette interaction, les scientifiques pourraient mieux comprendre comment les supernovae explosent et produisent des neutrinos.

Alors que ces détecteurs sont principalement utilisés pour la recherche fondamentale, leur petite taille pourrait également être utile pour d'autres applications. Les réacteurs nucléaires produisent différents types et quantités de neutrinos, selon qu'ils produisent de l'énergie ou du matériel de qualité militaire. Un détecteur aussi petit que celui de COHERENT pourrait rendre l'effort de surveillance des installations nucléaires beaucoup plus facile.

Trouver la précision avec PROSPECT

Alors que COHERENT recherchait un phénomène spécifique, l'expérience PROSPECT se concentrera sur la réalisation de mesures incroyablement précises des neutrinos d'un réacteur nucléaire à mesure qu'ils changent de type. Les expériences passées sur les réacteurs nucléaires ont abouti à des mesures qui s'écartent de la théorie. L'équipe PROSPECT a conçu une expérience qui permet d'explorer les écarts, éliminer les sources d'erreurs possibles, ou encore découvrir le neutrino stérile.

Par rapport aux expériences précédentes de réacteurs à neutrinos, PROSPECT pourra mesurer plus précisément le nombre et le type de neutrinos, la distance qu'ils parcourent depuis le réacteur, et leur énergie. PROSPECT diffère des autres expériences en ce que son détecteur a plusieurs sections au lieu d'une seule chambre. Cela permet aux scientifiques de mesurer et de comparer différentes longueurs d'oscillation des neutrinos, c'est-à-dire à quelle distance du réacteur les neutrinos changent de type.

S'il existe des neutrinos stériles, cette conception de détecteur peut également permettre aux scientifiques d'observer des neutrinos réguliers se transformer en neutrinos stériles. En théorie, cette nouvelle forme de neutrinos devrait apparaître à une certaine distance du cœur du détecteur.

Le réacteur isotopique à haut flux (HFIR), une installation utilisateur du DOE Office of Science à l'ORNL, fournira à PROSPECT ses neutrinos. Les réacteurs nucléaires commerciaux utilisent une variété de combustibles à base d'uranium et de plutonium avec différentes combinaisons d'isotopes. Il en résulte un large spectre d'énergies de neutrinos. Il est donc difficile de déterminer quels isotopes produisent quels neutrinos. En tant que réacteur de recherche, La HFIR n'utilise qu'un seul isotope de l'uranium :l'uranium-235. En mesurant les antineutrinos de cet isotope unique, l'équipe PROSPECT peut mieux comprendre comment tous les réacteurs nucléaires produisent des neutrinos.

Les scientifiques de la collaboration PROSPECT ont récemment terminé la construction d'un détecteur au laboratoire Wright de l'Université de Yale. Alors que la région du détecteur actif est beaucoup plus grande que le détecteur de la taille d'un pot à lait de COHERENT, il ne mesure toujours que quatre pieds de large et pèse environ cinq tonnes. Par rapport aux détecteurs qui pèsent des milliers de tonnes, cette expérience fonctionne aussi sur le petit côté. Une fois PROSPECT terminé et en place, il faudra des données pendant trois ans.

Bien que ces expériences semblent miniatures par rapport à d'autres, ils pourraient révéler des réponses sur les neutrinos cachés aux physiciens depuis des décennies. Il s'agit peut-être simplement pour les scientifiques de savoir où et comment chercher, même si c'est dans un couloir de stockage apparemment ordinaire.