Les scientifiques étudient de minuscules particules appelées neutrinos pour en savoir plus sur l'évolution de notre univers. Ces particules, bien connu pour être difficile à détecter, pourrait raconter comment la matière l'a emporté sur l'antimatière une fraction de seconde après le Big Bang et, par conséquent, pourquoi nous sommes ici du tout.

Aller au fond de cette histoire en une fraction de seconde signifie découvrir les différences, si seulement, entre le neutrino et son homologue antimatière, l'antineutrino.

L'expérience neutrino MINERvA au Laboratoire Fermi a récemment ajouté quelques détails aux profils de comportement des neutrinos et des antineutrinos :les scientifiques ont mesuré la probabilité que ces fameuses particules fugaces s'arrêtent dans le détecteur MINERvA. En particulier, ils ont examiné des cas dans lesquels un antineutrino interagissant dans le détecteur a produit une autre particule, un neutron - cette particule familière qui, avec le proton, constitue le noyau d'un atome.

Les études de MINERvA sur de tels cas profitent à d'autres expériences sur les neutrinos, qui peuvent utiliser les résultats pour affiner leurs propres mesures d'interactions similaires.

Il est typique d'étudier les particules produites par l'interaction d'un neutrino (ou antineutrino) pour obtenir une perle sur le comportement du neutrino. Les neutrinos sont des artistes de l'évasion sans effort, et leur nature de type Houdini rend difficile la mesure directe de leurs énergies. Ils naviguent sans entrave à travers tout, même le plomb. Les scientifiques sont avertis de la rare interaction des neutrinos par la production d'autres, particules plus facilement détectées. Ils mesurent et additionnent les énergies de ces particules sortantes et mesurent ainsi indirectement l'énergie du neutrino qui a tout déclenché.

Cette étude MINERvA particulière - antineutrino entre, feuilles de neutrons - est un cas difficile. La plupart des particules post-interaction déposent leurs énergies dans le détecteur de particules, laissant des traces que les scientifiques peuvent retracer jusqu'à l'antineutrino d'origine (ou neutrino, selon le cas).

Mais dans cette expérience, le neutron non. Il garde son énergie, n'en laissant presque pas dans le détecteur. Le résultat est pratiquement introuvable, énergie non comptabilisée qui ne peut pas être facilement inscrite dans les livres de l'énergie. Et malheureusement, les antineutrinos sont bons pour produire des neutrons à fuite d'énergie.

Les chercheurs tirent le meilleur parti des situations d'énergie manquante. Ils prédisent, sur la base d'autres études, combien d'énergie est perdue et corrigez-la.

Donner à la communauté scientifique une base de données, outil prédictif des moments d'énergie manquante, MINERvA a collecté des données de la situation la plus défavorable :un antineutrino frappe un noyau dans le détecteur et élimine le neutron introuvable, de sorte que presque toute l'énergie conférée au noyau devient « pouf ». (Ces interactions produisent également des particules chargées positivement appelées muons qui signalent l'interaction antineutrino.) En étudiant cet acte de disparition particulier, les scientifiques pourraient mesurer directement les effets de l'énergie manquante.

D'autres chercheurs peuvent désormais rechercher ces effets, appliquer les leçons apprises à des cas similaires. Par exemple, chercheurs sur la plus grande expérience de neutrinos en fonctionnement du Fermilab, Nova, et l'expérience japonaise T2K utilisera cette technique dans ses mesures d'antineutrinos. Et l'expérience internationale Deep Underground Neutrino, hébergée par le Fermilab, pièce maîtresse d'un programme de neutrinos de classe mondiale, en bénéficiera également une fois qu'il commencera à collecter des données dans les années 2020.

Le cas de la production de neutrons n'est qu'un type d'interaction d'énergie manquante, un parmi beaucoup. Le modèle qui ressort de cette étude MINERvA est donc certes imparfait. Il ne peut pas y avoir de modèle unique de scénarios énergétiques manquants. Mais il fournit toujours un outil utile pour reconstituer l'énergie d'un neutrino - et c'est une tâche difficile, quelles que soient les particules qui sortent de l'interaction.

« Cette analyse témoigne à la fois de la capacité du détecteur à mesurer les interactions des neutrinos et de la capacité de la collaboration à développer de nouvelles stratégies, " a déclaré Deborah Harris, scientifique du Fermilab et co-porte-parole de MINERvA. " Lorsque nous avons lancé MINERvA, cette analyse n'était même pas une lueur dans les yeux de qui que ce soit."

Il y a un bonus à cette étude récente, trop, celui qui renforce une enquête menée l'année dernière.

Pour l'enquête précédente, MINERvA s'est concentré sur les interactions de neutrinos (au lieu d'antineutrinos) qui ont détruit des paires proton-neutron (au lieu de neutrons ou de protons isolés). Dans un détecteur tel que MINERvA, l'énergie d'un proton est beaucoup plus facile à mesurer que celle d'un neutron, l'étude précédente a donc vraisemblablement donné des mesures plus précises que l'étude récente sur les antineutrinos.

Quelle était la qualité de ces mesures ? Les scientifiques de MINERvA ont branché les valeurs de l'étude précédente sur les neutrinos dans un modèle de cette récente étude sur les antineutrinos pour voir ce qui en ressortirait. Et voilà, l'ajustement du modèle antineutrino a amélioré sa capacité à prédire les données.

La combinaison des deux études donne à la communauté des physiciens des neutrinos de nouvelles informations sur les performances des modèles et leurs lacunes. Les recherches du phénomène connu sous le nom de violation de CP - ce qui rend la matière spéciale par rapport à l'antimatière et lui a permis de vaincre dans la bataille post-Big Bang - dépendent de la comparaison d'échantillons de neutrinos et d'antineutrinos et de la recherche de petites différences. Grand, des différences inconnues entre les produits de réaction neutrino et antineutrino masqueraient la présence ou l'absence de signatures CP.

"Nous ne sommes plus préoccupés par les grandes différences, et notre programme de neutrinos peut fonctionner avec de petits ajustements aux différences connues, " a déclaré Rik Gran, physicien de l'Université du Minnesota-Duluth, auteur principal sur ce résultat.

MINERvA se concentre sur des modèles qui, à chaque nouvel essai, mieux décrire à la fois les données sur les neutrinos et les antineutrinos, et donc l'histoire de la naissance de l'univers.

Ces résultats sont apparus le 1er juin 2018, dans Lettres d'examen physique .