En analysant les données recueillies il y a plus de huit ans, Des scientifiques du laboratoire national Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) et du laboratoire national de l'accélérateur Fermi ont fait une découverte potentiellement révolutionnaire.

En 2002, les scientifiques ont commencé l'expérience Booster Neutrino, connu sous le nom de MiniBooNE, au Fermilab pour en savoir plus sur la façon dont les neutrinos, très légers, particules fondamentales neutres — interagissent avec la matière. Les scientifiques ont récemment réexaminé les données de l'expérience prises entre 2009 et 2011, et ils ont trouvé la première preuve directe de neutrinos monoénergétiques, ou des neutrinos à énergie définie, suffisamment énergétiques pour produire un muon.

Les neutrinos sont extrêmement légers et ne sont influencés que par la force subatomique faible, ils interagissent donc rarement avec la matière. En réalité, ils pourraient voyager à travers des années-lumière de plomb avant d'interagir avec lui. Les particules sont très difficiles à détecter, mais pas difficile à créer. En raison du caractère insaisissable du neutrino, les scientifiques doivent travailler avec des faisceaux composés d'un grand nombre de particules. Ils tirent les faisceaux sur des noyaux dans un détecteur, en espérant que les neutrinos entrent en collision avec le matériau cible.

"Une complication de l'utilisation de ces gros faisceaux est que les énergies des neutrinos sont très variées et quelque peu imprévisibles, " a déclaré le physicien d'Argonne Joe Grange, l'un des scientifiques qui ont aidé à découvrir les neutrinos monoénergétiques. "Cela rend difficile l'interprétation complète des données."

La nouvelle découverte pourrait aider les expérimentateurs à résoudre ce problème. Les scientifiques ont réalisé que des neutrinos monoénergétiques étaient libérés par une ligne de faisceaux de neutrinos voisine au Fermilab, et ils ont décidé d'examiner les données de MiniBooNE pour voir si l'un de ces neutrinos avait été détecté au cours de cette expérience.

Assez sur, l'analyse des données de MiniBooNE a mis en évidence des milliers de collisions neutrinos-noyau où les neutrinos ont tous commencé avec la même énergie, 236 méga-électron-volt (MeV). Au cours de l'expérience MiniBooNE, des particules appelées kaons créées dans un absorbeur de protons d'une autre expérience se sont désintégrées en particules appelées muons et neutrinos de muons. Les neutrinos muoniques se sont ensuite rendus jusqu'au détecteur MiniBooNE. Parce que les kaons étaient au repos quand ils se sont décomposés, et parce qu'ils se sont désintégrés en seulement deux particules, les neutrinos avaient tous la même quantité d'énergie de départ avant d'entrer en collision avec les noyaux du détecteur MiniBooNE.

La désintégration d'un kaon est une réaction bien connue. "Avec cette découverte, nous pouvons améliorer notre compréhension de la façon dont les neutrinos interagissent avec la matière et également planifier de futures expériences qui pourraient tirer parti de cette interaction pour la recherche de nouveaux processus physiques, " a déclaré Grange. Canaliser cette désintégration comme source de neutrinos pour les expériences éliminerait l'incertitude des énergies des neutrinos, rendant les analyses plus simples et potentiellement plus éclairantes.

En plus d'inspirer de futures configurations expérimentales, les données aident également les scientifiques à se renseigner sur le comportement des noyaux lorsqu'ils sont bombardés de neutrinos et peuvent les aider à affiner les modèles des interactions. Lorsqu'un neutrino muonique entre en collision avec un noyau dans un détecteur, un muon ayant l'une d'une gamme d'énergies différentes peut sortir. C'est ce spectre d'énergies possibles des nouveaux muons que les scientifiques ont observé directement dans cette étude, et il parle de la façon dont le neutrino transfère de l'énergie au noyau lors du contact.

"Beaucoup de travail a été fait pour tirer des électrons sur les noyaux et voir comment ils se comportent électromagnétiquement, " a déclaré Grange. " Mais moins de travail a été fait pour voir comment les neutrinos interagissent faiblement en raison de la difficulté de travailler avec les neutrinos. "

L'aspect expérimental de cette découverte pourrait également aider les scientifiques à rechercher le neutrino stérile théorisé, un neutrino qui n'interagit que par la force gravitationnelle et non par la force faible. Une expérience du milieu des années 1990 au laboratoire national de Los Alamos du DOE a fourni des données sur les neutrinos qui étaient incompatibles avec les données d'une expérience distincte du laboratoire européen CERN, et cet écart pourrait s'expliquer par l'existence de cette particule "fantôme".

L'objectif initial de l'expérience MiniBooNE était de confirmer ou d'infirmer l'existence de neutrinos stériles. Bien que l'expérience puisse s'avérer peu concluante, la nouvelle découverte des profondeurs de ses données pourrait aider les futurs expérimentateurs à détecter leur existence. Les scientifiques travaillent déjà à des expériences qui utiliseront les neutrinos de cette désintégration spécifique du kaon pour rechercher des neutrinos stériles.

"C'est une belle histoire sur la façon dont il s'est passé près de cinq ans avant de réaliser qu'il y avait quelque chose d'important dans les données, " a déclaré Grange. " La morale de l'histoire est de conserver toutes les données et de continuer à réfléchir aux autres informations que vous n'avez pas encore extraites. "

Les résultats de l'étude ont été publiés dans un article intitulé "First Measurement of Monoenerergetic Muon Neutrino Charged Current Interactions" dans Lettres d'examen physique .