L'expérience Deep Underground Neutrino (DUNE) est une collaboration de recherche internationale visant à explorer des sujets liés aux neutrinos et à la désintégration du proton, qui devrait commencer à collecter des données vers 2025. Dans une étude récente publiée dans Lettres d'examen physique , une équipe de chercheurs de l'Ohio State University a montré que DUNE a le potentiel de fournir des résultats et des informations révolutionnaires sur les neutrinos solaires.

L'astronomie des neutrinos est un domaine qui étudie les différents types de neutrinos. Recherche dans ce domaine, comme la récente étude menée par l'équipe de l'Ohio State University, a considérablement augmenté au cours des dernières décennies.

"Pour autant que nous sachions, les neutrinos sont des particules élémentaires, ce qui signifie qu'ils ne sont pas composés de « petits morceaux, '" Francesco Capozzi, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Ces particules ne possèdent aucune charge électrique, elles ne peuvent donc pas interagir électromagnétiquement via la force qui maintient les électrons et les protons ensemble dans un atome."

Les neutrinos sont des particules fascinantes, car leurs propriétés principales sont très différentes de celles des autres particules élémentaires. Par exemple, leurs masses sont incroyablement petites, environ un millionième des particules les plus légères suivantes (c'est-à-dire, électrons).

Une autre caractéristique unique des neutrinos est qu'ils ne peuvent interagir avec d'autres matières que via une « interaction faible ». Comme son nom l'indique, cette « interaction faible » est beaucoup plus faible que l'interaction électromagnétique; si faible que les neutrinos peuvent voyager à travers la Terre ou le soleil sans jamais interagir avec d'autres particules. En outre, comme ils sont neutres en charge, les neutrinos ne sont pas affectés par les champs magnétiques de la Terre ou du soleil.

"Les propriétés des neutrinos en font des sondes uniques de l'univers, " a déclaré Capozzi. "Ils peuvent transporter des informations sur des régions qui seraient autrement inaccessibles."

Il existe plusieurs sources de neutrinos, et selon l'endroit où ils sont produits, ils peuvent différer en flux, énergies par particule, et d'autres propriétés. neutrinos solaires, par exemple, sont produits dans le noyau du soleil, mais peut ensuite s'échapper vers d'autres parties du système solaire. Environ 60 milliards de neutrinos électroniques par centimètre carré atteignent la Terre depuis le soleil chaque seconde. L'analyse de ces particules pourrait permettre aux chercheurs de découvrir des informations en temps réel sur ce qui se passe au centre même du soleil.

Un autre type de neutrinos comprend ceux produits lors des explosions superénergétiques d'étoiles massives, neutrinos de supernova. Ces neutrinos atteignent la Terre quelques heures avant la lumière produite lors de l'explosion, et viennent directement de l'intérieur d'une étoile en explosion, où la densité est si élevée que même les neutrinos peuvent être piégés pendant un certain temps. Ce ne sont là que quelques exemples de sources de neutrinos, mais il y en a d'innombrables autres, dont certains n'ont pas encore été détectés.

"Il existe même des neutrinos qui se sont propagés librement dans l'univers depuis environ une seconde après le Big Bang, qui portent les empreintes de l'univers primordial, " a déclaré Capozzi. " Cependant, nous n'avons toujours pas pu les détecter."

Sur la base de ce que les astrophysiciens ont observé jusqu'à présent, les neutrinos se présentent sous trois « saveurs » principales :les neutrinos électroniques, les neutrinos du muon et les neutrinos du tau. Chacune de ces différentes « saveurs » est identifiée en fonction de la particule chargée produite lors d'une interaction faible (c'est-à-dire, électrons, muons ou taus).

Jusque là, détecter et étudier les neutrinos s'est avéré incroyablement difficile, principalement en raison du fait qu'ils interagissent rarement avec d'autres matières. Une façon de surmonter cette limitation consiste à construire de grands détecteurs qui compensent la faible probabilité d'interactions des neutrinos en augmentant le nombre de particules possibles avec lesquelles ils peuvent interagir.

Le détecteur Super-Kamiokande (Super-K) au Japon, qui se compose essentiellement d'un réservoir rempli de 50, 000 tonnes de l'eau la plus pure disponible sur Terre, est actuellement le plus grand détecteur disponible pour les neutrinos MeV (basse énergie). Les neutrinos de basse énergie sont ceux dans la gamme d'énergie MeV, qui sont principalement produits dans des procédés nucléaires, par exemple, via des réactions de fusion au soleil ou au centre d'étoiles en explosion.

"Un autre problème est que nous ne pouvons pas voir les neutrinos eux-mêmes à l'aide de détecteurs ; nous ne pouvons voir que la particule chargée produite dans leurs interactions, " expliqua Capozzi. A Super-Kamiokande, par exemple, nous voyons la lumière que ces particules chargées émettent dans l'eau lorsqu'elles se déplacent presque à la vitesse de la lumière."

Le soleil est l'une des sources naturelles les plus importantes de neutrinos, car ils sont produits via les mêmes réactions nucléaires qui permettent au soleil de briller. Lorsque les scientifiques ont commencé à détecter les neutrinos solaires dans les années 1960, ils ont découvert qu'il y avait moins de neutrinos électroniques que prévu.

"Une explication possible de cette anomalie était que les neutrinos changeaient de saveur en se propageant, " expliqua Capozzi. " Ce phénomène, maintenant connu sous le nom d'oscillation de neutrinos, n'est physiquement possible que si les neutrinos ont une masse. Il a fallu environ 30 ans pour confirmer que l'anomalie des neutrinos solaires était, En effet, à cause des oscillations des neutrinos."

Essentiellement, bien que les neutrinos se présentent sous différentes saveurs, les scientifiques ont découvert qu'ils peuvent également osciller et « changer de saveurs ». Les deux physiciens qui ont découvert cela, Takaaki Kajita et Arthur B. McDonald, ont reçu le prix Nobel de physique en 2015.

"Peut-être la chose la plus étrange à propos des neutrinos est qu'ils oscillent, " Shirley Li, un autre chercheur impliqué dans l'étude, dit Phys.org. « Les neutrinos nés avec une seule saveur peuvent se transformer en neutrinos avec une saveur différente après s'être propagés sur une certaine distance. à la maison. Les physiciens ont été également surpris lorsque l'oscillation des neutrinos a été découverte."

Depuis la découverte des oscillations des neutrinos, les chercheurs ont utilisé les neutrinos solaires pour déterminer les paramètres décrivant leurs oscillations. Malgré les efforts considérables déployés pour y parvenir, de nombreuses questions restent sans réponse.

Premièrement, les chercheurs n'ont pas pu observer toutes les réactions nucléaires à travers les neutrinos correspondants. Par exemple, neutrinos 'hep', qui sont produits à partir de la fusion d'un noyau d'hélium et d'un proton, se sont avérés particulièrement difficiles à observer. En réalité, tandis que les neutrinos hep sont les plus énergétiques parmi les neutrinos solaires, leur flux est très faible par rapport aux autres neutrinos.

En outre, les paramètres d'oscillation déterminés dans les expériences sur les neutrinos solaires ne sont pas en parfait accord avec les mesures recueillies dans d'autres types d'expériences. Cela pourrait être dû à des phénomènes physiques inconnus qui n'affectent que les neutrinos solaires.

"Nous ne sommes pas à court de questions sur les neutrinos solaires, nous n'avons plus de détecteurs avancés, " John Beacom, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org.

En raison des limites des détecteurs existants, la plupart des expériences actuelles sur les neutrinos seront très probablement incapables de répondre aux questions sans réponse. Cela a inspiré une grande équipe internationale de chercheurs à commencer à construire DUNE, un grand détecteur dans une mine du Dakota du Sud à 4850 pieds sous terre.

"Autrefois, il a déjà été discuté que DUNE pourrait être utilisé comme détecteur de neutrinos solaires, trop, " a déclaré Capozzi. " Cependant, aucune étude approfondie dans ce sens n'a été réalisée. Nous avons décidé de combler cette lacune, montrant que DUNE est réellement en mesure d'apporter les réponses à ces questions, avec pratiquement aucun investissement d'argent supplémentaire."

Dans leur récente étude, Capozzi, Li, Beacom et leur collègue Guanying Zhu ont entrepris de prouver que la mine DUNE pourrait également être un détecteur de neutrinos solaires de premier plan. Pour ce faire, ils ont d'abord évalué la quantité de fond de la mine, qui est essentiellement quelque chose d'observé dans un détecteur qui imite le signal que l'on recherche, même s'il a une tout autre origine. Ce bruit de fond peut perturber et nuire à la mesure et à la détection des neutrinos.

« Dans la gamme énergétique pertinente pour les neutrinos solaires, le bruit de fond le plus important provient de la radioactivité naturelle, " expliqua Capozzi. " Puisque l'expérience sera basée dans une grotte dans une mine profonde, la radioactivité provient de la roche environnante. Afin de faire une estimation du fond, nous devons d'abord comprendre la composition de la roche attendue pour le site du détecteur."

La simulation d'événements de fond dans DUNE s'est avérée quelque peu difficile, car ceux-ci peuvent provenir de diverses sources, et donc les identifier nécessite des analyses approfondies. Lorsqu'ils ont commencé à travailler sur leur étude, les chercheurs ont donc commencé à étudier les sources de fond pour les expériences de neutrinos menées dans le passé et ont calculé ces taux dans le contexte de DUNE.

"Il s'avère que leurs taux sont raisonnablement bas par rapport aux taux de signal, " dit Li. " Cependant, à mi-parcours de notre étude, nous avons découvert dans la littérature l'existence de ce bruit de fond particulier uniquement pour les détecteurs à argon. Il s'agit de neutrons de basse énergie produits à partir de radioactivités dans la roche environnante. Cela s'avère être l'arrière-plan dominant pour la mesure des neutrinos solaires dans DUNE."

Les chercheurs ont basé leurs analyses sur la littérature antérieure qui décrit les aspects géologiques de la mine de DUNE, qui sont d'une importance cruciale pour achever les fouilles appropriées. Connaissant la composition exacte de la roche dans la mine, ils ont ensuite pu effectuer un calcul pour prédire son bruit de fond attendu. Ensuite, ils ont utilisé des outils statistiques pour évaluer la précision que DUNE peut atteindre en mesurant les paramètres d'oscillation et le flux de neutrinos s'échappant du soleil.

Une fois qu'ils ont identifié les sources possibles de bruit de fond dans l'expérience DUNE, ils ont essayé de trouver des stratégies pour éliminer les arrière-plans, car leurs taux sont généralement beaucoup plus élevés que les taux de signal des neutrinos. Ils ont proposé deux solutions distinctes :l'une qui consiste à entourer le détecteur d'une couche de plastique et l'autre à collecter des données deux fois plus longtemps pour obtenir une meilleure sensibilité.

"Pour chaque étape de l'expérience, nous avons dû nous occuper d'autres détails, " a déclaré Capozzi. "Par exemple, nous avons dû traiter soigneusement les interactions des neutrinos avec le détecteur, qui sera fait d'argon liquide. A l'énergie pertinente pour les neutrinos solaires, une interaction très importante est avec l'ensemble du noyau d'argon, qui dépend d'effets nucléaires compliqués."

Avant de se lancer dans l'évaluation du potentiel de DUNE en tant que détecteur pour découvrir de nouvelles choses sur les neutrinos, les chercheurs ont passé en revue toutes les recherches antérieures sur ce sujet, comparer les résultats obtenus en utilisant différentes techniques de physique nucléaire expérimentales et théoriques. Finalement, ils ont choisi la technique qu'ils jugeaient la plus appropriée et l'ont mise en œuvre à l'aide d'ordinateurs locaux dans leur université.

« Nous avons maintenant un cadre théorique qui nous permet de calculer la probabilité que des neutrinos naissent avec une saveur s'accordant avec une saveur différente, " dit Li. " Cela dépend de l'énergie du neutrino et de la distance de propagation, ainsi que six paramètres d'oscillation. Nous voulions mesurer autant de types d'oscillations de neutrinos que possible, par exemple., les neutrinos avec l'une des trois saveurs oscillant vers d'autres saveurs, afin d'obtenir les mesures les plus précises des six paramètres d'oscillation, et, surtout, pour évaluer si notre cadre actuel d'oscillation des neutrinos était, En effet, correct."

L'expérience DUNE est conçue pour étudier les neutrinos spécifiquement en mesurant un flux de neutrinos de muons de haute énergie oscillant en neutrinos d'électrons atteignant un grand détecteur de la mine souterraine du Dakota du Sud. Cela pourrait finalement permettre aux chercheurs de mesurer avec une plus grande précision deux paramètres d'oscillation qui ont été grossièrement mesurés lors d'expériences précédentes.

Le détecteur utilisé dans l'expérience DUNE est extrêmement grand par rapport aux autres détecteurs existants. C'est 40 kilotonnes d'argon avec lesquelles les neutrinos peuvent interagir, et il détecte les particules via une technologie de chambre à projection temporelle, permettant la collecte d'images 3D pour chaque interaction de neutrinos.

"Une question naturelle est, qu'est-ce que cet incroyable détecteur peut mesurer d'autre ?", a déclaré Li. "C'est ainsi que nous est venue l'idée de mesurer les neutrinos solaires avec DUNE. L'oscillation des neutrinos solaires est particulièrement intéressante. Jusque là, les schémas d'oscillation des neutrinos solaires et des neutrinos du réacteur sont légèrement en désaccord. Cela peut être dû à deux raisons :Soit il y a une fluctuation statistique improbable dans les données actuelles, ou notre compréhension théorique actuelle de l'oscillation des neutrinos n'est pas complète. La deuxième possibilité est extrêmement excitante."

Une autre expérience appelée JUNO, prévu pour 2020, mesurera les neutrinos sortant des réacteurs nucléaires. Les neutrinos solaires et les neutrinos des réacteurs sont, en principe, sensible aux mêmes paramètres d'oscillation. Donc si le cadre théorique proposé par les chercheurs est juste, les paramètres identifiés dans l'expérience JUNO (c. pour les neutrinos des réacteurs) doivent être alignés sur ceux rassemblés dans l'expérience DUNE (c'est-à-dire, pour les neutrinos solaires).

Des études antérieures ont trouvé des écarts entre les paramètres d'oscillation des neutrinos du réacteur et solaires, mais les mesures plus précises qui devraient être recueillies dans les expériences JUNO et DUNE pourraient éclairer cet écart. Cela pourrait à son tour conduire à la découverte de nouveaux phénomènes physiques.

Jusque là, il y a eu un certain scepticisme dans le monde de la physique quant au fait que la mine souterraine DUNE soit un détecteur de neutrinos solaire efficace, principalement en raison de la grande quantité de bruit de fond attendue, ce qui pourrait nuire aux résultats. Dans leur étude, cependant, Capozzi, Li, Zhu et Beacom ont démontré que DUNE pourrait conduire à des mesures de neutrinos solaires de classe mondiale, tout en permettant potentiellement les toutes premières mesures précises des neutrinos solaires « hep ».

"Malgré le scepticisme, nous avons pu montrer que ce bruit de fond peut être considérablement réduit en appliquant certains critères de sélection à ce que nous verrons dans le détecteur, " a déclaré Capozzi. " L'arrière-plan à gauche ne dominera le signal qu'aux basses énergies. La partie à haute énergie sera « intact, ' et nous avons estimé qu'il sera composé de 100, 000 neutrinos solaires observés en cinq ans."

En plus de démontrer l'énorme potentiel de DUNE, Capozzi Li, Zhu, et Beacom a introduit une série d'améliorations théoriques et expérimentales réalisables qui pourraient améliorer les performances du détecteur DUNE. Ces améliorations pourraient également profiter au projet dans son ensemble, facilitant l'étude d'autres phénomènes physiques.

Afin de répondre aux questions sans réponse, la prochaine génération de détecteurs de neutrinos devra être de grande taille et disposer de capacités de détection avancées. Même en utilisant ces détecteurs, certaines propriétés et caractéristiques des neutrinos resteront très probablement un mystère, car il reste encore de nombreux défis techniques à surmonter.

"Sans cette mesure dans DUNE, nous ne saurons peut-être jamais pourquoi les neutrinos solaires semblent se mélanger différemment des antineutrinos des réacteurs, " a déclaré Beacom. " Nous ne disons pas que l'enquête sera facile, mais nous disons que c'est important."

Les chercheurs de l'Ohio State University envisagent désormais de partager les résultats de leurs calculs et simulations, ainsi que leurs suggestions d'amélioration avec la communauté astrophysique dans son ensemble. Ils espèrent que cela suscitera la conversation et encouragera finalement des changements qui pourraient encore améliorer les performances du détecteur DUNE avant la réalisation de l'expérience.

« Nous sommes ravis de voir que la collaboration DUNE examine les détails de notre analyse, et j'espère que nous verrons cette analyse effectuée lorsque DUNE sera en ligne, " dit Li. " Dans l'ensemble, c'est une période vraiment passionnante pour étudier les neutrinos, car il y a tellement de mesures et de tests intéressants que l'on peut faire dans ces expériences. J'essaie toujours de trouver des mesures qui n'ont pas été prises en compte auparavant et d'étudier ce qu'elles peuvent nous dire sur les neutrinos et la physique au-delà du modèle standard."

L'un des principaux objectifs des futures recherches de l'équipe sera de tirer le meilleur parti des observations recueillies dans la mine DUNE ou à l'aide d'autres grands détecteurs. Pour faire ça, l'équipe prévoit de continuer à étudier de nouvelles techniques qui pourraient rendre les détecteurs plus sensibles aux neutrinos produits à partir de sources astrophysiques.

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