Les neutrinos sont les plus légères de toutes les particules connues qui ont une masse. Pourtant, leur comportement lors de leurs déplacements pourrait aider à répondre à l'une des plus grandes énigmes de la physique :pourquoi l'univers actuel est composé principalement de matière alors que le Big Bang aurait dû produire des quantités égales de matière et d'antimatière. Dans deux articles récents, la collaboration NA61/SHINE rapporte des mesures de particules qui sont cruciales pour les expériences basées sur des accélérateurs étudiant le comportement des neutrinos.

Les neutrinos sont de trois types, ou "saveurs, " et les expériences sur les neutrinos mesurent avec de plus en plus de détails comment eux et leurs homologues antimatière, antineutrinos, « osciller » d'une saveur à l'autre pendant qu'ils voyagent. S'il s'avère que les neutrinos et les antineutrinos oscillent différemment les uns des autres, cela peut expliquer en partie le déséquilibre actuel matière-antimatière.

Les expériences sur les neutrinos basées sur un accélérateur recherchent les oscillations des neutrinos en produisant un faisceau de neutrinos d'une même saveur et en mesurant le faisceau après qu'il ait parcouru une longue distance. Les faisceaux de neutrinos sont généralement produits en tirant un faisceau de protons de haute énergie dans de longs, cibles minces de carbone ou de béryllium. Ces interactions proton-cible produisent des hadrons, comme les pions et les kaons, qui sont focalisés à l'aide de cornes magnétiques en aluminium et dirigés dans de longs tunnels, dans lequel ils se transforment en neutrinos et autres particules.

Pour obtenir une mesure fiable des oscillations des neutrinos, les chercheurs travaillant sur ces expériences doivent estimer le nombre de neutrinos dans le faisceau avant oscillation et comment ce nombre varie avec l'énergie des particules. Estimer ce "flux de neutrinos" est difficile, car les neutrinos interagissent très faiblement avec d'autres particules et ne peuvent pas être mesurés facilement. Pour contourner cela, les chercheurs estiment plutôt le nombre de hadrons. Mais mesurer le nombre de hadrons est également difficile, car ils sont trop nombreux pour être mesurés avec précision.

C'est là qu'interviennent des expériences telles que NA61/SHINE au super synchrotron à protons du CERN. NA61/SHINE peut reproduire les interactions proton-cible qui génèrent les hadrons qui se transforment en neutrinos. Il peut également reproduire les interactions ultérieures que subissent les protons et les hadrons dans les cibles et les cornes de focalisation. Ces interactions ultérieures peuvent produire des hadrons supplémentaires produisant des neutrinos.

La collaboration NA61/SHINE a déjà mesuré des hadrons générés dans des expériences à 31 GeV/c d'énergie des protons (où c est la vitesse de la lumière) pour aider à prédire le flux de neutrinos dans l'expérience d'oscillation de neutrinos Tokai-to-Kamioka (T2K) au Japon . La collaboration a également collecté des données à des énergies de 60 et 120 GeV/c au profit de MINERνA, Expériences NOνA et DUNE au Fermilab aux États-Unis. L'analyse de ces jeux de données progresse bien et a récemment conduit à deux articles :l'un décrivant les mesures des interactions des protons avec le carbone, béryllium et aluminium, et un autre rapportant les mesures des interactions des pions avec le carbone et le béryllium.

"Ces résultats sont cruciaux pour les expériences neutrinos du Fermilab, " dit Laura Fields, membre de la collaboration NA61/SHINE et co-porte-parole de MINERνA. "Pour prédire les flux de neutrinos pour ces expériences, les chercheurs ont besoin d'une simulation extrêmement détaillée de l'ensemble de la ligne de lumière et de toutes les interactions qui s'y produisent. Pour cette simulation, nous devons connaître la probabilité que chaque type d'interaction se produise, les particules qui seront produites, et leurs propriétés. Les mesures d'interaction telles que les plus récentes seront donc vitales pour rendre ces simulations beaucoup plus précises, " elle explique.

"Regardant vers l'avenir, NA61/SHINE se concentrera sur les mesures pour la prochaine génération d'expériences d'oscillation des neutrinos, dont DUNE et T2HK au Japon, pour permettre à ces expériences de produire des résultats de haute précision en physique des neutrinos, " conclut Fields.