La collaboration DUNE a publié son premier article scientifique basé sur des données collectées avec le détecteur monophasé ProtoDUNE situé sur la plate-forme Neutrino du CERN. Les résultats montrent que le détecteur fonctionne avec une efficacité supérieure à 99%, ce qui en fait non seulement le plus grand, mais aussi la chambre à projection temporelle à argon liquide la plus performante à ce jour. Les scientifiques utilisent maintenant leurs découvertes pour affiner leurs techniques expérimentales et se préparer à la construction de l'expérience internationale Deep Underground Neutrino à l'installation Long-Baseline Neutrino, un programme expérimental de neutrinos de nouvelle génération hébergé par le Fermilab du ministère de l'Énergie aux États-Unis.

« Ces premiers résultats sont une excellente nouvelle pour nous, " a déclaré Stefan Söldner-Rembold, co-porte-parole de DUNE, professeur à l'Université de Manchester au Royaume-Uni. « Ils montrent que le détecteur ProtoDUNE-SP fonctionne encore mieux que prévu. Nous sommes maintenant prêts pour la construction des premiers composants du détecteur DUNE, qui comportera des modules détecteurs basés sur ce prototype, mais 20 fois plus grand."

DUNE est une expérience internationale ambitieuse qui mesurera les propriétés de minuscules particules fondamentales appelées neutrinos. Les neutrinos sont la particule de matière la plus abondante dans l'univers, mais parce qu'ils interagissent rarement avec d'autres particules, ils sont incroyablement difficiles à étudier. Il existe au moins trois types différents de neutrinos, et, chaque seconde, 65 milliards d'entre eux traversent chaque centimètre carré de la Terre. Pendant qu'ils voyagent, ils font quelque chose de particulier :ils changent d'un type à l'autre. Les scientifiques pensent que ces oscillations de neutrinos, ainsi que les oscillations impliquant des neutrinos d'antimatière, pourraient aider à répondre à certaines des grandes questions de la physique, comme l'asymétrie matière-antimatière observée dans l'univers. DUNE recherchera également les neutrinos des supernovae et les processus subatomiques rares tels que la désintégration du proton.

"ProtoDUNE-SP montre que nous pouvons étendre ce type de technologie à la taille et à la résolution dont nous avons besoin pour enfin mettre les neutrinos sous un microscope très puissant, " a déclaré Marzio Nessi, coordinateur de la plate-forme neutrino du CERN.

Mesurer précisément ces oscillations va contraindre et même écarter certains modèles théoriques et ouvrir de nouvelles voies pour découvrir et explorer des phénomènes subatomiques rares. Mais pour obtenir ces mesures précises, les scientifiques ont besoin d'une taille incroyablement grande, détecteurs sensibles et fiables.

"Les résultats de ProtoDUNE montrent que nous avons conçu un détecteur qui nous permettra d'atteindre nos objectifs scientifiques dans DUNE, " a déclaré Elizabeth Worcester, un scientifique du laboratoire national de Brookhaven du ministère de l'Énergie et coordinateur de la physique de DUNE.

DUNE est conçu pour révéler la nature des oscillations de neutrinos en tirant un faisceau intense de neutrinos du Fermilab près de Chicago à travers 1, 300 kilomètres (800 miles) de terre et dans quatre modules détecteurs souterrains géants situés à 1,5 kilomètre de profondeur à l'installation de recherche souterraine de Sanford dans le Dakota du Sud. Deux détecteurs ProtoDUNE au CERN - l'un basé sur une technologie monophasée et l'autre basé sur une technologie à double phase d'argon liquide - constituent une étape vers la construction des énormes modules de détecteurs DUNE, chacun rempli de 17, 000 tonnes d'argon liquide. Le rapport de conception technique DUNE, publié en février, est le modèle de construction de ces modules.

Au CERN, Les scientifiques de DUNE du monde entier ont utilisé des rayons cosmiques et un faisceau d'essai de 800 GeV pour évaluer le détecteur ProtoDUNE-SP. Le faisceau d'essai de l'accélérateur SPS du CERN a traversé deux cibles distinctes pour créer des faisceaux d'électrons, protons et autres types de particules. Des détecteurs de particules situés juste à l'extérieur de ProtoDUNE ont mesuré l'énergie et l'identité de ces particules du faisceau d'essai avant qu'elles n'entrent dans ProtoDUNE-SP. A l'intérieur du détecteur, de délicats plans de fils entrecoupés de détecteurs de photons sont suspendus à l'intérieur de 800 tonnes de transparent, argon liquide. Lorsqu'une particule qui passe interagit avec l'argon, il projette des électrons libres qui sont attirés par un champ électrique à haute tension sur plusieurs mètres vers les plans de fils proches des parois du détecteur. Du signal sur les fils, les scientifiques créent une image en 3D de la trajectoire de la particule et peuvent déterminer son énergie et son identité. En comparant ces informations de l'intérieur de ProtoDUNE-SP aux propriétés connues de la particule du faisceau d'essai d'origine, ils ont pu calibrer avec précision l'appareil et optimiser le logiciel de reconstruction complexe.

Tout comme la qualité d'une photo varie considérablement en fonction de la qualité de l'appareil photo et du logiciel d'édition d'un photographe, la qualité des données de physique n'est qu'aussi bonne que le détecteur et ses outils de reconstruction. Les scientifiques travaillant sur ProtoDUNE-SP ont appris des expériences passées sur les neutrinos et ont atteint un niveau de performance qui était auparavant impossible. Toutes les données du détecteur contiennent de petites variations, appelé bruit, qui peuvent parfois être difficiles à distinguer des signaux créés par les particules. C'est un problème commun à toutes les expériences de physique, et les scientifiques réfléchissent constamment à des moyens innovants d'améliorer la qualité des données en combinant l'augmentation de la puissance du signal et la diminution de la quantité de bruit. Dans ce premier article de DUNE, les scientifiques montrent comment ils ont pu atteindre un rapport signal/bruit de 50 à 1, ce qui était auparavant impossible à réaliser pour les chambres à projection temporelle à argon liquide. Ils ont également évalué la fiabilité du détecteur et constaté que plus de 99 % de ses 15, 360 canaux de détection fonctionnent comme ils le devraient.

"Si certains canaux d'un détecteur ne fonctionnent pas, les scientifiques ont des lacunes dans leurs données, " dit Tingjun Yang, un collaborateur DUNE au Fermilab qui a dirigé l'analyse des données ProtoDUNE. "Les outils d'analyse de données peuvent aider à combler ces lacunes, Mais il y a une limite. Le nombre de canaux inactifs dans ProtoDUNE est inférieur à 1%, nous donnant une reconstruction d'événement très efficace. ProtoDUNE-SP montre que nous pouvons atteindre et dépasser nos objectifs physiques."