L'identification de l'ordre de masse des neutrinos est l'un des défis les plus passionnants de la physique moderne. Des physiciens du cluster d'excellence PRISMA+ de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) jouent un rôle de premier plan dans une nouvelle étude qui indique que le casse-tête de l'ordre de masse des neutrinos pourrait enfin être résolu dans les prochaines années. Ce sera grâce aux performances combinées de deux nouvelles expériences sur les neutrinos qui sont en préparation :l'expérience Upgrade of the IceCube au pôle Sud et l'Observatoire souterrain de neutrinos de Jiangmen (JUNO) en Chine. Ils donneront bientôt aux physiciens accès à des données beaucoup plus sensibles et complémentaires sur l'ordre de masse des neutrinos.

Les neutrinos sont les caméléons parmi les particules élémentaires

Les neutrinos sont produits par des sources naturelles - à l'intérieur du soleil ou d'autres objets astronomiques, par exemple, mais aussi en grande quantité par les centrales nucléaires. Cependant, ils peuvent traverser la matière normale, comme le corps humain, pratiquement sans encombre sans laisser de trace de leur présence. Cela signifie que des méthodes extrêmement complexes nécessitant l'utilisation de détecteurs massifs sont nécessaires pour observer les rares réactions occasionnelles dans lesquelles ces « particules fantômes » sont impliquées.

Les neutrinos sont de trois types différents :électron, neutrinos du muon et du tau. Ils peuvent changer d'un type à l'autre, un phénomène que les scientifiques appellent « oscillation des neutrinos ». Il est possible de déterminer la masse des particules à partir des observations des motifs d'oscillation. Depuis des années maintenant, les physiciens ont essayé d'établir lequel des trois neutrinos est le plus léger et lequel est le plus lourd. le professeur Michael Wurm, un physicien du Pôle d'Excellence PRISMA+ et de l'Institut de Physique de JGU, qui joue un rôle déterminant dans la mise en place de l'expérience JUNO en Chine, explique :« Nous pensons que répondre à cette question contribuera de manière significative à nous permettre de collecter des données à long terme sur la violation de la symétrie matière-antimatière dans le secteur des neutrinos. en utilisant ces données, nous espérons découvrir une fois pour toutes pourquoi la matière et l'antimatière ne se sont pas complètement anéanties après le Big Bang."

La coopération mondiale porte ses fruits

Les deux expériences à grande échelle utilisent des méthodes très différentes et complémentaires afin de résoudre le casse-tête de l'ordre de masse des neutrinos. « Une approche évidente est de combiner les résultats attendus des deux expériences, " précise le professeur Sebastian Böser, également du Pôle d'Excellence PRISMA+ et de l'Institut de Physique de JGU, qui fait des recherches sur les neutrinos et est un contributeur majeur à l'expérience IceCube.

À peine dit que c'était fait. Dans le numéro actuel de la revue Examen physique D , des chercheurs de la collaboration IceCube et JUNO ont publié une analyse combinée de leurs expériences. Pour ça, les auteurs ont simulé les données expérimentales prédites en fonction du temps de mesure pour chaque expérience. Les résultats varient selon que les masses des neutrinos sont dans leur ordre normal ou inversé (inversé). Prochain, les physiciens ont effectué un test statistique, dans laquelle ils ont appliqué une analyse combinée aux résultats simulés des deux expériences. Cela a révélé le degré de sensibilité avec lequel les deux expériences combinées pouvaient prédire le bon ordre, ou plutôt exclure le mauvais ordre. Comme les modèles d'oscillation observés dans JUNO et IceCube dépendent de l'ordre réel de la masse des neutrinos d'une manière spécifique à chaque expérience, le test combiné a un pouvoir discriminant significativement plus élevé que les résultats expérimentaux individuels. La combinaison permettra ainsi d'éliminer définitivement le mauvais ordre de masse des neutrinos dans un délai de mesure de trois à sept ans.

"Dans ce cas, le tout est vraiment plus que la somme de ses parties, " conclut Sebastian Böser. " Ici, nous avons la preuve claire de l'efficacité d'une approche expérimentale complémentaire lorsqu'il s'agit de résoudre les énigmes restantes des neutrinos. " " Aucune expérience ne pourrait y parvenir par elle-même, qu'il s'agisse de la mise à niveau IceCube, JUNO ou l'un des autres en cours d'exécution, " ajoute Michael Wurm. " De plus, cela montre simplement ce que les physiciens des neutrinos ici à Mayence peuvent réaliser en travaillant ensemble. "