Gros plan sur la surface d'un des ensembles du détecteur de neutrinos, où des milliers de fils espacés de 3 millimètres détectent les signaux créés par les neutrinos traversant le détecteur. Crédit :Reidar Hahn
Neutrinos, particules fondamentales fantomatiques qui sont réputées difficiles à étudier, pourrait fournir aux scientifiques des indices sur l'évolution de l'univers.
Ils sont si difficiles à attraper, En réalité, qu'il est possible qu'il existe un quatrième type qui se cache sous notre nez depuis des décennies.
Les scientifiques du laboratoire national de l'accélérateur Fermi affilié à UChicago, site de la recherche neutrino la plus poussée au monde, mènent une collaboration internationale pour explorer la possibilité d'une toute nouvelle particule. Bien que trois types de neutrinos soient connus, les scientifiques sont à la recherche d'un quatrième possible :le neutrino stérile, dont l'existence a été taquinée mais jamais clairement confirmée.
Des composants majeurs pour la nouvelle expérience sur les neutrinos arrivent du monde entier pour être intégrés dans le prochain détecteur de proximité à base courte, ou SBND, au Laboratoire Fermi.
"Le programme de base courte vise à traiter des résultats intéressants d'expériences précédentes qui pourraient faire allusion à une nouvelle classe de neutrinos, qui ouvrirait une toute nouvelle, domaine inattendu de la physique des neutrinos, " a déclaré David Schmitz, Co-porte-parole du SBND et professeur adjoint de physique à l'Université de Chicago. "Mais peu importe ce que nous trouvons, les résultats devraient nous éclairer sur ce puzzle de longue date."
Au Laboratoire Fermi, situé à environ 45 miles à l'ouest de Chicago, trois détecteurs sont perchés le long d'un faisceau de neutrinos généré par les accélérateurs de particules du Fermilab. De l'arbre, le nouveau détecteur sera placé le plus près de la source du faisceau, à seulement 360 pieds. (Les deux autres, MicroBooNE et ICARUS, sont 1, 500 pieds et 2, 000 pieds de la source, respectivement.)
« La raison pour laquelle vous avez trois détecteurs est que vous souhaitez échantillonner le faisceau de neutrinos le long de la ligne de lumière à différentes distances, " a déclaré Ornella Palamara, scientifique en neutrinos du Fermilab, l'autre porte-parole du projet.
Comme les neutrinos traversent un détecteur après l'autre, certains d'entre eux laissent des traces dans les détecteurs. Les scientifiques analyseront ces informations pour rechercher des preuves solides du membre hypothétique mais jamais vu de la famille des neutrinos.
Faire une (dis)apparition
Les neutrinos se présentent sous l'une des trois « saveurs » :électron, muon et tau. Ils passent d'une saveur à une autre au fur et à mesure qu'ils voyagent dans l'espace, ce qu'on appelle l'oscillation. Les neutrinos sont connus pour osciller entre les trois saveurs, mais seules d'autres preuves aideront les scientifiques à déterminer s'ils oscillent également dans un quatrième type, un neutrino stérile.
Si ces neutrinos stériles existent, ils n'interagissent pas du tout avec la matière. (Les neutrinos que nous connaissons interagissent, mais seulement rarement.) Les résultats d'autres expériences ont laissé entendre la possibilité de l'existence du neutrino stérile, mais si loin, personne ne l'a confirmé.
Trois détecteurs sont perchés le long d'un faisceau de neutrinos généré par les accélérateurs de particules du Fermilab, chacun vérifiant le flux pour la preuve d'un éventuel quatrième type de neutrino. Crédit :Fermilab
SBND, comme premier détecteur dans le faisceau, enregistrera le nombre de neutrinos d'électrons et de muons qui le traversent avant que l'oscillation ne puisse se produire. La grande majorité d'entre eux – environ 99,5 % – seront des neutrinos muoniques. Au moment de leur arrivée aux détecteurs lointains, MicroBooNE et ICARUS, quelques neutrinos muoniques sur mille peuvent s'être convertis en neutrinos électroniques.
Deux issues possibles pourraient indiquer l'existence de la nouvelle particule.
La première est que les détecteurs éloignés voient plus de neutrinos électroniques que prévu. Cela pourrait être la preuve que des neutrinos stériles sont également présents :les neutrinos pourraient se convertir dans et hors d'états de neutrinos stériles d'une manière qui produit un excès de neutrinos électroniques. L'autre est que les détecteurs éloignés voient moins de neutrinos muoniques que prévu — les neutrinos muoniques repérés dans SBND « disparaissent » — parce qu'ils se sont convertis en neutrinos stériles.
"Avoir une seule expérience où nous pouvons voir simultanément l'apparition de neutrinos électroniques et la disparition de neutrinos muoniques et nous assurer que leurs amplitudes sont compatibles les unes avec les autres est extrêmement puissant pour essayer de découvrir des oscillations de neutrinos stériles, " a déclaré Schmitz. " Le détecteur de proximité améliore considérablement notre capacité à le faire. "
Composants de trois continents
Le premier des quatre assemblages de plan d'anode, composants électroniques très sensibles, est arrivé au Fermilab en octobre. D'autres sont en route.
Les ensembles plans anodiques, quatre en tout, font partie d'un détecteur de 4 x 4 x 5 mètres qui sera suspendu à l'intérieur d'un réservoir cryogénique rempli d'argon liquide à -300 degrés Fahrenheit. Chaque assemblage est un énorme cadre recouvert de milliers de fils sensibles délicats, conçu pour suivre les particules qui sortent des neutrinos entrant en collision avec des atomes d'argon dans le réservoir.
SBND sera également un terrain d'essai pour certaines des technologies, y compris les ensembles plans anodiques, qui sera utilisé dans l'expérience internationale Deep Underground Neutrino Experiment, connu sous le nom de DUNE, une expérience mégascientifique hébergée par Fermilab qui est actuellement en construction dans le Dakota du Sud.
Institutions en Europe, L'Amérique du Sud et les États-Unis participent à la construction des différentes composantes de la SBND. Dans tout, plus de 20 institutions sur trois continents sont impliquées dans l'effort. Une autre douzaine collaborent sur des outils logiciels pour analyser les données une fois le détecteur opérationnel, dit Schmitz.
"Faire partie d'une collaboration internationale est génial, " dit Palamara. " Bien sûr, il y a des défis, mais c'est fantastique de voir des gens du monde entier travailler sur le programme. Avoir des morceaux du détecteur construits à différents endroits, puis voir tout s'assembler est excitant."
L'assemblage du SBND devrait se terminer à l'automne 2019, après quoi le détecteur sera installé dans son bâtiment le long du faisceau de neutrinos généré par l'accélérateur. Le SBND devrait commencer à recevoir des neutrinos d'ici la fin de 2020.
