Une expérience au Fermilab du ministère de l'Énergie a fait une avancée significative dans la détection des neutrinos qui se cachent à des énergies plus basses.

L'expérience ArgoNeuT a récemment démontré pour la première fois qu'une classe particulière de détecteurs de particules, ceux qui utilisent de l'argon liquide, peuvent identifier des signaux dans une gamme d'énergie que les physiciens des particules appellent la « gamme MeV ». Il s'agit de la première étape importante pour confirmer que les chercheurs seront capables de détecter une large gamme d'énergies de neutrinos, même ceux qui sont les plus difficiles à attraper, énergies plus basses - avec l'expérience internationale Deep Underground Neutrino Experiment, ou DUNE, hébergé par Fermilab. DUNE devrait démarrer au milieu des années 2020.

Les neutrinos sont légers, des particules insaisissables et subtiles qui voyagent près de la vitesse de la lumière et détiennent des indices sur l'évolution de l'univers. Ils sont produits dans les désintégrations radioactives et autres réactions nucléaires, et plus leur énergie est basse, plus ils sont difficiles à détecter.

En général, quand un neutrino frappe un noyau d'argon, l'interaction génère d'autres particules qui laissent alors des traces détectables dans la mer d'argon. Ces particules varient en énergie.

Les scientifiques sont assez habiles pour extraire les particules de plus haute énergie – celles avec plus de 100 MeV (ou mégaélectronvolts) – à partir des données de leurs détecteurs à argon liquide. Ces particules traversent l'argon, laissant derrière eux ce qui ressemble à de longues traînées dans les affichages visuels des données.

Tamiser les particules dans la partie inférieure, la plage de MeV à un chiffre est plus difficile, comme essayer d'extraire les meilleures aiguilles cachées dans la botte de foin proverbiale. C'est parce que les particules de faible énergie ne laissent pas autant de traces dans l'argon liquide. Ils ne zippent pas tant que blip.

En effet, après avoir simulé les interactions des neutrinos avec l'argon liquide, Les scientifiques d'ArgoNeuT ont prédit que des particules d'énergie MeV seraient produites et seraient visibles sous forme de minuscules taches dans les données visuelles. Là où les particules de plus haute énergie apparaissent sous forme de stries dans l'argon, la signature révélatrice des particules MeV serait de petits points.

Et c'était le défi auquel les chercheurs d'ArgoNeuT ont été confrontés :comment localiser les minuscules taches et points dans les données ? Et comment vérifier qu'elles signifient des interactions particulaires réelles et ne sont pas simplement du bruit ? Les techniques typiques, les méthodes d'identification de longues pistes dans l'argon liquide, ne s'appliquerait pas ici. Les chercheurs devraient trouver quelque chose de différent.

Et c'est ce qu'ils ont fait :ArgoNeuT a développé une méthode pour identifier et révéler des signaux de type blip à partir de particules MeV. Ils ont commencé par comparer deux catégories différentes :les blips accompagnés d'événements de neutrinos connus et les blips non accompagnés d'événements de neutrinos. Finalement, ils ont développé une nouvelle technique de reconstruction spécifique à basse énergie pour analyser les données expérimentales réelles d'ArgoNeuT afin de les rechercher.

Et ils les ont trouvés. Ils ont observé les signaux blip, qui correspondait aux résultats simulés. Non seulement que, mais les signaux sont venus haut et fort :ArgoNeuT a identifié les signaux MeV comme un excès de 15 sigma, bien supérieur à la norme pour revendiquer une observation en physique des particules, qui est 5 sigma (ce qui signifie qu'il y a 1 chance sur 3,5 millions que le signal soit un coup de chance.)

Le résultat d'ArgoNeuT démontre une capacité d'une importance cruciale pour mesurer les événements neutrinos MeV dans l'argon liquide.

Curieusement, les neutrinos nés à l'intérieur d'une supernova tombent également dans la gamme MeV. Le résultat d'ArgoNeuT donne aux scientifiques de DUNE une longueur d'avance dans l'un de ses objectifs de recherche :améliorer notre compréhension des supernovae en étudiant le torrent de neutrinos qui s'échappent de l'intérieur de l'étoile qui explose lors de son effondrement.

L'énorme détecteur de particules DUNE, être situé sous terre à Sanford Lab dans le Dakota du Sud, sera rempli de 70, 000 tonnes d'argon liquide. Lorsque les neutrinos d'une supernova traversent l'énorme volume d'argon sous la surface de la Terre, certains vont heurter les atomes d'argon, produisant des signaux captés par le détecteur DUNE. Les scientifiques utiliseront les données amassées par DUNE pour mesurer les propriétés des neutrinos de supernova et remplir l'image de l'étoile qui les a produits, et même potentiellement assister à la naissance d'un trou noir.

Des détecteurs de particules ont capté une poignée de signaux de neutrinos d'une supernova en 1987, mais aucun d'entre eux n'était des détecteurs à argon liquide. (D'autres expériences sur les neutrinos utilisent, par exemple, l'eau, huile, carbone, ou le plastique comme matériau de détection de choix.) Les scientifiques de DUNE devaient comprendre à quoi ressembleraient les signaux de basse énergie d'une supernova dans l'argon.

La collaboration ArgoNeuT est la première expérience pour aider à répondre à cette question, fournissant une sorte de premier chapitre du guide sur ce qu'il faut rechercher lorsqu'un neutrino de supernova rencontre de l'argon. Sa réalisation pourrait nous rapprocher un peu plus de ce que ces messagers de l'espace auront à nous dire.