La collaboration Daya Bay Reactor Neutrino Experiment, qui a effectué une mesure précise d'une propriété importante des neutrinos il y a huit ans, préparant le terrain pour une nouvelle série d'expériences et de découvertes sur ces particules difficiles à étudier, a fini de recueillir des données. Bien que l'expérience soit officiellement fermée, la collaboration continuera à analyser son ensemble de données complet pour améliorer la précision des résultats basés sur des mesures antérieures.

L'expérience a collecté suffisamment de données au cours de ses 55 premiers jours de fonctionnement pour annoncer une découverte importante début mars 2012. Pour célébrer ce succès et d'autres qui ont suivi, la collaboration de Daya Bay et les responsables de l'agence scientifique participeront à une cérémonie le 12 décembre pour marquer la fin des opérations sur le site (voir détails de l'événement ci-dessous).

Le partenariat international permet la réussite de l'expérimentation

Opérant dans un espace souterrain caverneux contenant une série de grandes, détecteurs de particules en forme de tambour immergés dans de grandes piscines d'eau dans le Guangdong, Chine, l'expérience a été construite grâce à un effort international qui comportait un partenariat égal unique en son genre dans un projet de physique majeur entre les États-Unis et la Chine. L'Institut de physique des hautes énergies (IHEP) de l'Académie chinoise des sciences, basé à Pékin, dirige le rôle de la Chine dans la collaboration, tandis que le Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et le Brookhaven National Laboratory (Brookhaven Lab) du département américain de l'Énergie co-dirigent la participation américaine.

"Nous sommes très heureux de voir le succès de l'expérience, qui a fait d'importantes découvertes scientifiques, " dit Yi-Fang Wang, un ancien porte-parole de la collaboration Daya Bay qui est maintenant directeur de l'IHEP. « La collaboration est vraiment internationale, et les leçons que nous avons apprises ici sont inestimables. Nous attendons avec impatience d'autres collaborations à l'avenir."

L'IHEP a supervisé la construction du site expérimental et de la moitié des détecteurs de Daya Bay, la collaboration américaine représentant l'autre moitié. Il y a également eu des contributions importantes de scientifiques et d'institutions à Taïwan et à Hong Kong, et au Chili, la République tchèque, et la Russie.

"Ce fut une expérience extrêmement réussie et importante, " dit Kam-Biu Luk, le porte-parole américain de l'expérience de Daya Bay et également chercheur principal au Berkeley Lab et professeur de physique à l'UC Berkeley. « Les mesures de précision et les découvertes à Daya Bay ont été rendues possibles grâce à la collaboration exceptionnelle entre les États-Unis et la Chine et tous nos partenaires internationaux. »

Les huit détecteurs de Daya Bay sont conçus pour capter les signaux lumineux contenus dans les liquides scintillants qu'ils contiennent. Ces signaux sont générés par des interactions avec des antineutrinos provenant de six réacteurs des centrales nucléaires voisines de Daya Bay et de Ling Ao.

Les réacteurs nucléaires produisent un grand nombre d'antineutrinos via le processus de fission nucléaire, et ils le font d'une manière contrôlée avec précision, ce qui fait des réacteurs un excellent endroit pour mener des expériences sur les neutrinos et recueillir des mesures de haute précision.

Les antineutrinos sont les antiparticules des neutrinos - d'abondantes particules subatomiques qui traversent la plupart de la matière sans interruption, ils sont donc difficiles à détecter. Au cours des sept dernières décennies, les scientifiques ont fait de grands progrès dans la conception de détecteurs pour capter les signaux insaisissables de ces particules "fantômes".

"Les détecteurs de Daya Bay fonctionnent remarquablement bien, dépasser nos attentes, " a déclaré le scientifique en chef américain de Daya Bay, Steve Kettell du Brookhaven Lab. " Ce succès est au cœur de notre découverte. "

A la recherche du thêta 13

Situé dans trois halls souterrains à moins d'un mile des six réacteurs, l'expérience de Daya Bay a été conçue pour mesurer une propriété liée aux transformations des particules, ou oscillatoires, entre trois types différents, dit "saveurs":électron, muon, et tau. Daya Bay a été la première expérience à mesurer avec succès, avec certitude, un "angle de mélange" appelé thêta 13. Cet angle de mélange définit la vitesse à laquelle les neutrinos se transforment en les trois saveurs. Depuis sa première mesure en 2012, la précision de la mesure thêta 13 de Daya Bay a été multipliée par six.

Pour déterminer thêta 13, les scientifiques ont mesuré combien de neutrinos d'une saveur spécifique - dans ce cas, antineutrinos électroniques - ont été produits par les réacteurs voisins. À partir de ce nombre, ils pourraient déterminer le nombre d'antineutrinos électroniques qu'ils devraient s'attendre à mesurer à l'aide des grands détecteurs de Daya Bay. Puis, ils ont comparé l'estimation à la réalité, nombre mesuré.

La mesure thêta 13, et deux autres angles de mélange mesurés par des expériences précédentes, nous aider à comprendre le rôle joué par les neutrinos dans l'évolution de notre univers. Si les scientifiques observent une différence dans certaines propriétés des neutrinos par rapport aux antineutrinos, cela pourrait nous aider à comprendre l'excès de matière par rapport à l'antimatière dans l'univers.

Les scientifiques de Daya Bay mènent actuellement une analyse des données des neuf années d'exploitation de l'expérience. Cette analyse permettra d'améliorer les mesures des propriétés des neutrinos, y compris une nouvelle précision sur le thêta 13 qui ne sera probablement pas dépassée dans les décennies à venir.

Bonus inattendu

"La productivité scientifique de Daya Bay a dépassé notre imagination, " a déclaré le co-porte-parole de Daya Bay, Jun Cao, de l'IHEP. "En plus de fixer la valeur de thêta 13, une caractéristique surprenante est apparue dans le spectre des antineutrinos du réacteur mesuré avec les données de haute qualité de Daya Bay. »

Un excès local d'antineutrinos - environ 10 % au-dessus des attentes théoriques à une énergie d'environ 5 millions d'électrons-volts (5 MeV) - apparaît clairement, bien au-delà des incertitudes. L'origine de cet écart n'est pas encore claire et nécessite des études plus approfondies.

Pendant ce temps, La détermination du rendement en antineutrinos de l'expérience de Daya Bay a également trouvé un suspect probable pour expliquer une soi-disant « anomalie des antineutrinos du réacteur » - des mesures de moins d'antineutrinos que ce qui avait été prévu sur les sites de nombreux réacteurs nucléaires différents. Alors qu'une possibilité pour cette anomalie était que certains antineutrinos se soient transformés en un quatrième type hypothétique de neutrino appelé neutrino stérile, Les chercheurs de Daya Bay ont découvert que cela était probablement dû à une modélisation incomplète du taux prévu de production d'antineutrinos pour un composant du combustible du réacteur nucléaire.

En outre, Les équipes de scientifiques de deux expériences majeures étudiant les oscillations des neutrinos - l'expérience Daya Bay et l'expérience MINOS + au Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) du DOE - ont uni leurs forces pour produire une autre analyse qui a largement exclu toute possibilité de neutrinos stériles dans leurs données.

Implications des mesures

"L'angle de mélange thêta 13, que de nombreux scientifiques soupçonnaient être nul, s'est heureusement avéré beaucoup plus grand que prévu lorsque nous avons planifié l'expérience, " Luc dit, ce qui a permis aux scientifiques d'extraire avec précision la fréquence d'oscillation et de confirmer la théorie de l'oscillation des neutrinos. Cela augure bien pour d'autres expériences neutrinos actives et futures qui tenteront de mesurer l'ordre des masses des différents neutrinos, par exemple.

Cela pourrait également profiter aux expériences qui explorent la pertinence possible des neutrinos pour le déséquilibre matière-antimatière de l'univers. Les physiciens pensent que les neutrinos pourraient avoir joué un rôle dans ce déséquilibre en enfreignant une loi de physique fondamentale connue sous le nom de violation de la parité de charge (CP). Cette violation implique qu'une particule et son antiparticule se comportent différemment.

La mesure thêta 13 de Daya Bay est la mesure la plus précise à ce jour parmi les trois mesures d'angle de mélange liées aux oscillations des neutrinos. La collaboration de Daya Bay a été reconnue pour le succès de la mesure précise de thêta 13 avec l'attribution du prestigieux prix Breakthrough 2016 en physique fondamentale.

"Maintenant que nous savons que thêta 13 n'est pas zéro, nous avons développé de nouvelles façons d'étudier l'ordre de masse des neutrinos. Il nous permet également de rechercher la violation de CP dans les expériences actuelles et futures, " a déclaré Kettell.

Expériences existantes en oscillation de neutrinos, comme T2K au Japon et NOvA au Fermilab, bénéficier de cette mesure, il a noté, tout comme l'observatoire souterrain de neutrinos de Jiangmen (JUNO), une expérience de nouvelle génération qui commencera bientôt à prendre des données en Chine, le projet Long Baseline Neutrino Facility/Deep Underground Neutrino Experiment (LBNF/DUNE) en cours de construction au Fermilab, et la prochaine expérience Hyper-Kamiokande au Japon.