L'injecteur principal est un puissant accélérateur de particules au Fermilab près de Chicago. C'est également la source des faisceaux de neutrinos les plus énergétiques au monde qui seront utilisés dans l'expérience Deep Underground Neutrino (DUNE), une expérience internationale phare sur les neutrinos impliquant des chercheurs de Penn. (Image :Peter Ginter/Laboratoire Fermi)
En physique, l'antimatière est simplement l'« opposé » de la matière. Les particules d'antimatière ont la même masse que leurs homologues mais avec d'autres propriétés inversées; par exemple, les protons dans la matière ont une charge positive tandis que les antiprotons sont négatifs. L'antimatière peut être fabriquée en laboratoire à l'aide de collisions de particules à haute énergie, mais ces événements créent presque toujours des parts égales d'antimatière et de matière et, lorsque deux particules opposées entrent en contact l'une avec l'autre, les deux sont détruits dans une puissante vague d'énergie pure.
Ce qui intrigue les physiciens, c'est que presque tout dans l'univers, personnes incluses, est fait de matière, pas à parts égales matière et antimatière. Tout en cherchant des idées qui pourraient expliquer ce qui a empêché l'univers de créer des galaxies séparées de matière et d'antimatière, ou exploser dans le néant, les chercheurs ont trouvé des preuves que la réponse pourrait se cacher dans des particules très courantes mais mal comprises appelées neutrinos.
Une équipe de chercheurs dirigée par Christopher Mauger a publié les résultats de la première série d'expériences qui peuvent aider à répondre à ces questions et à d'autres en physique fondamentale. Dans le cadre du programme Cryogenic Apparatus for Precision Tests of Argon Interactions with Neutrino (CAPTAIN), leurs résultats, Publié dans Lettres d'examen physique , sont une première étape importante vers la construction de l'expérience Deep Underground Neutrino (DUNE), une installation expérimentale pour la science des neutrinos et la recherche en physique des particules.
collisionneurs de particules, comme le Grand collisionneur de hadrons au CERN, faire des expériences sur les quarks, un type de particule élémentaire. Ces expériences ont trouvé des preuves qui expliquent la symétrie matière-antimatière, mais seulement une partie. Des expériences sur un autre type de particule élémentaire, leptons, laisse entendre que ces particules pourraient expliquer plus complètement cette asymétrie universelle. Recherches antérieures sur les neutrinos, un type de lepton, trouvé des modèles inattendus dans les trois "saveurs" de neutrinos, " des résultats qui, selon les physiciens, pourraient également signifier que leur asymétrie pourrait être plus importante que prévu.
Mais le défi de l'étude des neutrinos est qu'ils interagissent rarement avec d'autres particules; un seul neutrino peut traverser une année-lumière de plomb sans rien faire. La découverte de ces interactions rares signifie que les chercheurs doivent étudier un grand nombre de neutrinos pendant de longues périodes. Comme défi supplémentaire, le flux constant de muons produits par les interactions des rayons cosmiques dans la haute atmosphère peut rendre difficile la détection des interactions peu fréquentes que les chercheurs sont plus intéressés à voir.
Les structures extérieures (rouge) de deux prototypes de détecteurs DUNE actuellement en cours d'évaluation au CERN. (Photo :CERN)
La solution? Allez 5, 000 pieds sous terre, construire quatre détecteurs de 10 kilotonnes remplis d'argon liquide, et tirer un faisceau de neutrinos fabriqué dans un accélérateur de particules situé à 800 miles. C'est l'objectif final de DUNE, un centre international de recherche sur les neutrinos du Fermilab, un laboratoire de physique des particules et d'accélérateurs près de Chicago. Fouilles pour le détecteur, qui sera installé à l'installation de recherche souterraine de Sanford dans le Dakota du Sud, sont en cours, et les chercheurs sont maintenant occupés par des expériences avant l'installation du premier détecteur en 2022.
En tant que première publication à venir de CAPTAIN, les chercheurs ont relevé un défi technique clé :comment gérer les mesures sur d'autres interactions de particules. Par exemple, lorsqu'un neutrino interagit avec l'argon, le neutrino prend une charge et expulse des neutrons. Une grande partie de l'énergie de l'interaction ira dans le neutron, mais il n'a pas été possible d'en déterminer le montant. "Nous devons comprendre les interactions argon-neutron si nous voulons faire correctement l'expérience qui va avoir un impact sur notre compréhension de l'asymétrie de la matière et de l'antimatière, " dit Mauger.
Lui et son équipe ont construit un prototype de 400 kilogrammes du détecteur DUNE, connu sous le nom de Mini-CAPTAIN, et collecté des données à partir d'un faisceau de neutrons au Laboratoire national de Los Alamos. L'ancien postdoctorant Penn Jorge Chaves, qui a travaillé en tant que responsable de l'analyse pour cette recherche, dit que la majeure partie du travail consistait à reconstruire les signaux du détecteur en informations significatives sur les propriétés qu'ils souhaitent étudier plus avant.
En tant que tout premier ensemble de données sur les interactions neutroniques dans l'argon liquide aux gammes d'énergie qui seront utilisées dans DUNE, Chaves se dit encouragé par les résultats obtenus jusqu'à présent, même s'ils ont encore besoin d'obtenir des données supplémentaires. "Avant, il n'y a pas eu de mesure de cette section efficace d'interaction, mais maintenant nous avons fourni des résultats expérimentaux réels, " dit-il. " Avec plus de données de même qualité, nous serions en mesure de faire une mesure encore plus précise."
À court terme, l'équipe CAPTAIN se concentrera sur l'affinement des méthodes développées pour cet article ainsi que sur l'exécution d'autres expériences avant que DUNE ne commence à collecter des données en 2026. Une fois le projet officiellement lancé, les chercheurs espèrent pouvoir utiliser cette installation pour aider à répondre aux questions des domaines de la physique des particules, Physique nucléaire, et même l'astrophysique.
Mauger considère les efforts continus de CAPTAIN et d'autres projets comme « la R&D en physique, " un travail qui aidera les chercheurs à collecter des mesures importantes et à étudier des phénomènes d'une manière jamais réalisée auparavant. Les nombreux objectifs ambitieux de DUNE prendront des décennies à se réaliser, mais Mauger dit que ce qu'ils essaient d'accomplir en vaut la peine.
"Les neutrinos sont si difficiles à mesurer, une sorte d'énigmatique, et il y a une sorte d'attrait à essayer de comprendre comment ils fonctionnent. En étudiant cette particule vraiment intéressante qui nous entoure, et pourtant si difficile à mesurer, qui pourrait détenir la clé pour comprendre pourquoi nous sommes ici, est excitant - et je peux faire ça pour gagner ma vie, " dit Mauger.
