Les scientifiques appellent souvent le neutrino la "particule fantôme". Les neutrinos étaient l'une des particules les plus abondantes à l'origine de l'univers et le restent aujourd'hui. Les réactions de fusion au soleil en produisent de vastes armées, qui se déversent chaque jour sur la Terre. Des milliards traversent notre corps chaque seconde, puis voler à travers la Terre comme si elle n'était pas là.

"Bien qu'il ait été postulé pour la première fois il y a près d'un siècle et détecté pour la première fois il y a 65 ans, les neutrinos restent entourés de mystère en raison de leur réticence à interagir avec la matière, " a déclaré Alessandro Lovato, un physicien nucléaire au Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE).

Lovato est membre d'une équipe de recherche de quatre laboratoires nationaux qui a construit un modèle pour résoudre l'un des nombreux mystères concernant les neutrinos :comment ils interagissent avec les noyaux atomiques, systèmes complexes constitués de protons et de neutrons ("nucléons") liés ensemble par la force forte. Cette connaissance est essentielle pour percer un mystère encore plus grand :pourquoi au cours de leur voyage dans l'espace ou la matière, les neutrinos se transforment comme par magie de l'un à l'autre parmi trois types possibles ou "saveurs".

Pour étudier ces oscillations, deux séries d'expériences ont été menées au laboratoire national de l'accélérateur Fermi du DOE (MiniBooNE et NOvA). Dans ces expériences, les scientifiques génèrent un flux intense de neutrinos dans un accélérateur de particules, puis les envoyer dans des détecteurs de particules sur une longue période de temps (MiniBooNE) ou à cinq cents miles de la source (NOvA).

Connaissant la distribution originale des saveurs de neutrinos, les expérimentateurs collectent alors des données relatives aux interactions des neutrinos avec les noyaux atomiques dans les détecteurs. A partir de ces informations, ils peuvent calculer tout changement dans les saveurs des neutrinos au fil du temps ou de la distance. Dans le cas des détecteurs MiniBooNE et NOvA, les noyaux sont issus de l'isotope carbone-12, qui a six protons et six neutrons.

"Notre équipe est intervenue car ces expériences nécessitent un modèle très précis des interactions des neutrinos avec les noyaux détecteurs sur une large gamme d'énergie, " dit Noémi Rocco, un post-doctorat au pôle Physique d'Argonne et au Fermilab. Étant donné le caractère insaisissable des neutrinos, parvenir à une description complète de ces réactions est un formidable défi.

Le modèle de physique nucléaire de l'équipe des interactions de neutrinos avec un seul nucléon et une paire d'entre eux est le plus précis à ce jour. "La nôtre est la première approche pour modéliser ces interactions à un niveau aussi microscopique, " a déclaré Rocco. " Les approches précédentes n'étaient pas si fines. "

L'une des découvertes importantes de l'équipe, sur la base de calculs effectués sur le supercalculateur Mira, aujourd'hui à la retraite, de l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), était que l'interaction des paires de nucléons est cruciale pour modéliser avec précision les interactions des neutrinos avec les noyaux. L'ALCF est une installation utilisateur du DOE Office of Science.

"Plus les noyaux du détecteur sont gros, plus la probabilité que les neutrinos interagissent avec eux est grande, " dit Lovato. " À l'avenir, nous prévoyons d'étendre notre modèle aux données de noyaux plus gros, à savoir, ceux de l'oxygène et de l'argon, à l'appui d'expériences prévues au Japon et aux États-Unis."

Rocco a ajouté que "Pour ces calculs, nous nous appuierons sur des ordinateurs ALCF encore plus puissants, le système Theta existant et la future machine exascale, Aurore."

Les scientifiques espèrent que, finalement, une image complète émergera des oscillations de saveur pour les neutrinos et leurs antiparticules, appelés " antineutrinos ". Cette connaissance peut expliquer pourquoi l'univers est construit à partir de matière plutôt que d'antimatière, l'une des questions fondamentales sur l'univers.

Le papier, intitulé "Étude Ab Initio de (νℓ, −) et (ν¯ℓ, ℓ+) Diffusion Inclusive en C12 :Confronter les données MiniBooNE et T2K CCQE, " est publié dans Examen physique X . Outre Rocco et Lovato, les auteurs incluent J. Carlson (Los Alamos National Laboratory), S. Gandolfi (Laboratoire national de Los Alamos), et R. Schiavilla (Old Dominion University/Jefferson Lab).