Les minuscules particules connues sous le nom de neutrinos sont un excellent outil pour étudier le fonctionnement interne des noyaux atomiques. Contrairement aux électrons ou aux protons, les neutrinos n'ont pas de charge électrique, et ils interagissent avec le noyau d'un atome uniquement via la force nucléaire faible. Cela en fait un outil unique pour sonder les éléments constitutifs de la matière. Mais le défi est que les neutrinos sont difficiles à produire et à détecter, et il est très difficile de déterminer l'énergie qu'un neutrino a lorsqu'il frappe un atome.

Cette semaine, un groupe de scientifiques travaillant sur l'expérience MiniBooNE au laboratoire Fermi du ministère de l'Énergie a signalé une percée :ils ont pu identifier des neutrinos de muons d'énergie exactement connue frappant les atomes au cœur de leur détecteur de particules. Le résultat élimine une source majeure d'incertitude lors du test de modèles théoriques d'interactions de neutrinos et d'oscillations de neutrinos.

"La question de l'énergie des neutrinos est si importante, " a déclaré Josué Spitz, Norman M. Leff, professeur assistant à l'Université du Michigan et co-responsable de l'équipe qui a fait la découverte, avec Joseph Grange au Laboratoire national d'Argonne. "Il est extrêmement rare de connaître l'énergie d'un neutrino et la quantité d'énergie qu'il transfère à l'atome cible. Pour les études de noyaux basées sur les neutrinos, c'est la première fois qu'il est atteint."

Pour en savoir plus sur les noyaux, les physiciens tirent des particules sur les atomes et mesurent comment ils entrent en collision et se dispersent. Si l'énergie d'une particule est suffisamment grande, un noyau touché par la particule peut se briser et révéler des informations sur les forces subatomiques qui lient le noyau ensemble.

Mais pour obtenir les mesures les plus précises, les scientifiques doivent connaître l'énergie exacte de la particule qui brise l'atome. Cette, cependant, n'est presque jamais possible lorsque l'on fait des expériences avec des neutrinos.

Comme d'autres expériences sur les neutrinos du muon, MiniBooNE utilise un faisceau qui comprend des neutrinos muons avec une gamme d'énergies. Puisque les neutrinos n'ont pas de charge électrique, les scientifiques n'ont pas de "filtre" qui leur permet de sélectionner des neutrinos avec une énergie spécifique.

Scientifiques MiniBooNE, cependant, ont trouvé un moyen astucieux d'identifier l'énergie d'un sous-ensemble des neutrinos du muon frappant leur détecteur. Ils se sont rendu compte que leur expérience recevait des neutrinos muoniques ayant une énergie exacte de 236 millions d'électronvolts (MeV). Ces neutrinos proviennent de la désintégration de kaons au repos à environ 86 mètres du détecteur MiniBooNE émergeant du noyau en aluminium de l'absorbeur de particules de la ligne NuMI, qui a été construit pour d'autres expériences au Fermilab.

Les kaons énergétiques se désintègrent en neutrinos muoniques avec une gamme d'énergies. L'astuce consiste à identifier les neutrinos muoniques qui émergent de la désintégration des kaons au repos. La conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement nécessite alors que tous les neutrinos du muon émergeant de la désintégration du kaon au repos aient exactement l'énergie de 236 MeV.

"Ce n'est pas souvent en physique des neutrinos que l'on connaît l'énergie du neutrino entrant, " a déclaré le co-porte-parole de MiniBooNE Richard Van De Water du Laboratoire national de Los Alamos. " Avec la première observation par MiniBooNE de neutrinos muons monoénergétiques issus de la désintégration du kaon, nous pouvons étudier les interactions de courant chargé avec une sonde connue qui permet aux théoriciens d'améliorer leurs modèles de section efficace. Il s'agit d'un travail important pour les futurs programmes de neutrinos à base courte et longue du Laboratoire Fermi. »

Cette analyse a été menée avec des données recueillies de 2009 à 2011.

« Le résultat est remarquable, " dit Rex Tayloe, co-porte-parole de la collaboration MiniBooNE et professeur de physique à l'Université d'Indiana Bloomington. "Nous avons pu extraire ce résultat grâce au détecteur MiniBooNE bien compris et à nos précédentes études minutieuses des interactions des neutrinos sur 15 ans de collecte de données."

Spitz et ses collègues travaillent déjà sur le prochain résultat sur les neutrinos monoénergétiques. Un deuxième détecteur de neutrinos situé à proximité de MiniBooNE, appelé MicroBooNE, reçoit également des neutrinos muoniques de l'absorbeur NuMI, 102 mètres plus loin. Étant donné que MicroBooNE utilise la technologie de l'argon liquide pour enregistrer les interactions des neutrinos, Spitz est optimiste sur le fait que les données MicroBooNE fourniront encore plus d'informations.

"MicroBooNE fournira des mesures plus précises de ce neutrino d'énergie connue, " at-il dit. " Les résultats seront extrêmement précieux pour les futures expériences d'oscillation des neutrinos. "

Le résultat de MiniBooNE a été publié le 6 avril 2018, problème de Lettres d'examen physique .