Depuis plus de trois ans, les scientifiques de la collaboration NOvA ont observé des particules appelées neutrinos lorsqu'elles oscillent d'un type à un autre sur une distance de 500 miles. Maintenant, dans un nouveau résultat dévoilé aujourd'hui lors de la conférence Neutrino 2018 à Heidelberg, Allemagne, la collaboration a annoncé ses premiers résultats utilisant des antineutrinos, et a vu des preuves solides d'antineutrinos muoniques oscillant en antineutrinos électroniques sur de longues distances, un phénomène qui n'a jamais été observé sans ambiguïté.

Nova, basé au Laboratoire national de l'accélérateur Fermi du département de l'Énergie des États-Unis, est l'expérience sur les neutrinos la plus longue au monde. Son but est d'en savoir plus sur les neutrinos, des particules fantomatiques mais abondantes qui voyagent à travers la matière la plupart du temps sans laisser de trace. L'objectif à long terme de l'expérience est de rechercher des similitudes et des différences dans la façon dont les neutrinos et les antineutrinos changent d'un type - dans ce cas, muon - dans l'un des deux autres types, électron ou tau. Mesurer précisément ce changement à la fois des neutrinos et des antineutrinos, puis en les comparant, aidera les scientifiques à percer les secrets que ces particules détiennent sur le fonctionnement de l'univers.

NOvA utilise deux grands détecteurs de particules - un plus petit au Fermilab dans l'Illinois et un beaucoup plus grand à 500 miles de distance dans le nord du Minnesota - pour étudier un faisceau de particules généré par le complexe d'accélérateurs du Fermilab et envoyé à travers la Terre, sans tunnel requis.

Le nouveau résultat est tiré du premier essai de NOvA avec des antineutrinos, la contrepartie de l'antimatière aux neutrinos. NOvA a commencé à étudier les antineutrinos en février 2017. Les accélérateurs du Fermilab créent un faisceau de neutrinos muoniques (ou antineutrinos muoniques), et le détecteur lointain de NOvA est spécialement conçu pour voir ces particules se transformer en neutrinos électroniques (ou antineutrinos électroniques) au cours de leur voyage.

Si les antineutrinos n'ont pas oscillé du type muon au type électron, les scientifiques se seraient attendus à enregistrer seulement cinq candidats antineutrinos électroniques dans le détecteur lointain NOvA au cours de cette première exécution. Mais lorsqu'ils ont analysé les données, ils en ont trouvé 18, fournissant des preuves solides que les antineutrinos subissent cette oscillation.

"Les antineutrinos sont plus difficiles à fabriquer que les neutrinos, et ils sont moins susceptibles d'interagir dans notre détecteur, " a déclaré Peter Shanahan du Laboratoire Fermi, co-porte-parole de la collaboration NOvA. "Ce premier ensemble de données est une fraction de notre objectif, mais le nombre d'événements d'oscillation que nous voyons est bien plus grand que ce à quoi nous nous attendrions si les antineutrinos n'oscillaient pas du type muon à l'électron. Cela démontre l'impact du faisceau de particules de haute puissance du Laboratoire Fermi sur notre capacité à étudier les neutrinos et les antineutrinos. »

Bien que les antineutrinos soient connus pour osciller, la transformation en antineutrinos électroniques sur de longues distances n'a pas encore été définitivement observée. L'expérience T2K, situé au Japon, a annoncé avoir observé des indices de ce phénomène en 2017. Les collaborations NOvA et T2K travaillent à une analyse combinée de leurs données dans les années à venir.

"Avec ce premier résultat utilisant des antineutrinos, NOvA est passé à la prochaine phase de son programme scientifique, " a déclaré Jim Siegrist, directeur associé de la physique des hautes énergies au ministère de l'Énergie, au Bureau des sciences. "Je suis ravi de voir que cette importante expérience continue de nous en dire plus sur ces particules fascinantes."

Le nouveau résultat antineutrino de NOvA s'accompagne d'une amélioration de ses méthodes d'analyse, conduisant à une mesure plus précise de ses données sur les neutrinos. De 2014 à 2017, NOvA a vu 58 candidats pour les interactions des neutrinos muoniques se transformer en neutrinos électroniques, et les scientifiques utilisent ces données pour se rapprocher de certains des mystères les plus épineux de ces particules insaisissables.

La clé du programme scientifique de NOvA consiste à comparer la vitesse à laquelle les neutrinos électroniques apparaissent dans le détecteur éloigné avec la vitesse à laquelle les antineutrinos électroniques apparaissent. Une mesure précise de ces différences permettra à NOvA d'atteindre l'un de ses principaux objectifs scientifiques :déterminer lequel des trois types de neutrinos est le plus lourd et lequel est le plus léger.

Il a été démontré que les neutrinos ont une masse, mais les scientifiques n'ont pas pu mesurer directement cette masse. Cependant, avec suffisamment de données, ils peuvent déterminer les masses relatives des trois, un puzzle appelé la commande de masse. NOvA travaille à une réponse définitive à cette question. Les scientifiques de l'expérience continueront à étudier les antineutrinos jusqu'en 2019 et, au cours des années suivantes, collectera éventuellement des quantités égales de données sur les neutrinos et les antineutrinos.

"Ce premier ensemble de données d'antineutrinos n'est qu'un début de ce qui promet d'être une course passionnante, " a déclaré la co-porte-parole de NOvA Tricia Vahle de William &Mary. " C'est le début, mais NOvA nous donne déjà de nouvelles perspectives sur les nombreux mystères des neutrinos et des antineutrinos."