Argon. C'est tout autour de nous. C'est dans l'air que nous respirons, des lumières incandescentes à côté desquelles nous lisons et des globes à plasma avec lesquels beaucoup d'entre nous ont joué quand nous étions enfants.

Sous forme liquide, l'argon est également une cible peu coûteuse et efficace pour les expériences de physique des neutrinos. Le 21 février, les scientifiques du laboratoire Fermi ont commencé à refroidir ICARUS, le plus grand détecteur de particules du programme neutrino à base courte du laboratoire, et à le remplir de 760 tonnes d'argon liquide, le rapprochement d'ICARUS vers l'exploitation et la recherche d'un quatrième type de neutrinos.

"Le programme de neutrinos à base courte est incroyable car il résoudra enfin les résultats anormaux de longue date dans les mesures de neutrinos, " dit Robert Wilson, porte-parole adjoint d'ICARUS et professeur de physique à la Colorado State University.

« Les neutrinos sont une composante fondamentale et abondante de notre univers :nous en savons encore trop peu sur eux, et cela m'intéresse beaucoup de continuer à chercher leurs propriétés, " a ajouté Carlo Rubbia, Lauréat du prix Nobel et porte-parole d'ICARUS.

Il y a plus de 20 ans, les scientifiques du Laboratoire national de Los Alamos ont trouvé plus d'antineutrinos électroniques que prévu dans leurs résultats du détecteur de neutrinos à scintillateur liquide. Dans une expérience de suivi plus de 10 ans plus tard, les scientifiques de l'expérience MiniBooNE au Fermilab ont observé une incohérence similaire et ont découvert une nouvelle anomalie dans leurs données sur les neutrinos.

Les scientifiques se demandent si c'était plus qu'une coïncidence.

Un quatrième type de neutrinos

Il est bien établi que les trois types de neutrinos connus – électron, muon et tau – oscillent, ou changer, l'un dans l'autre. Pour étudier ces oscillations et comment elles se produisent, les scientifiques ont besoin de neutrinos pour interagir avec quelque chose. Pour ICARE, cette substance est l'argon liquide.

Dans l'expérience ICARUS, un faisceau de neutrinos de type muon interagira avec l'argon liquide et devrait, en théorie, produisent principalement des particules chargées appelées muons. (Un faisceau de neutrinos de type électronique devrait produire principalement des électrons.) Mais étant donné les résultats du détecteur de neutrinos à scintillateur liquide et du MiniBooNE, ce n'est qu'une partie de l'histoire, et ICARUS entend combler les lacunes.

"Et si les neutrinos oscillaient en un neutrino qui n'interagit pas du tout, même pas un peu comme le font les autres neutrinos ?", a déclaré Wilson. "Ce n'est pas une extension naturelle de la théorie des neutrinos, mais cela pourrait expliquer les résultats LSND et MiniBooNE."

Un tel quatrième type de neutrino, contrairement aux autres, ne se transformerait pas en une particule chargée complémentaire lors de l'interaction dans un détecteur. En réalité, il n'interagirait pas du tout. Par la mécanique quantique, cependant, ce neutrino dit stérile pourrait encore osciller entre les types de neutrinos et modifier le modèle d'oscillation qu'ICARUS observera.

La découverte d'un neutrino stérile bouleverserait le modèle standard des particules subatomiques et affecterait notre compréhension de l'évolution de l'univers.

Du remplissage à la poutre

l'emplacement optimal d'ICARUS, la taille et le matériau du détecteur le rendent particulièrement sensible à la détection des neutrinos qui afficheraient cet effet d'oscillation. Si les scientifiques d'ICARUS trouvent plus de neutrinos électroniques dans leur faisceau de neutrinos de type muon que prévu, ils auraient enfin des preuves concrètes de neutrinos stériles.

Les mesures d'ICARUS éclaireront également la manière dont les expériences sur les neutrinos à base longue collectent et analysent les données. Par exemple, l'expérience des scientifiques sur ICARUS informera le plus grand, Expérience internationale de neutrinos souterrains profonds, hébergé par Fermilab. La technologie de détection à l'argon liquide d'ICARUS sera adaptée pour DUNE, qui utilisera 70, 000 tonnes d'argon liquide pour étudier les trois types de neutrinos connus et leur évolution de l'un à l'autre.

« ICARUS a parcouru un long chemin depuis sa conception et son activité de collecte de données au laboratoire du Gran Sasso en Italie et aborde maintenant une nouvelle phase d'acquisition de données ici au Fermilab. Je suis ravi de voir l'enthousiasme d'une jeune génération de scientifiques maintenant à travailler sur cette expérience, ", a déclaré Rubbia.

Il faudra environ huit semaines pour remplir ICARUS d'argon liquide. Une fois le détecteur rempli, les scientifiques vérifieront sa stabilité et la pureté de l'argon. Puis, ils seront mis sous tension pour la première fois depuis qu'ICARUS s'est rendu au laboratoire Fermi de l'autre côté de l'océan Atlantique. Ils s'attendent à voir les premières traces de particules plus tard cette année.