Il ya un siècle, les physiciens ignoraient l'existence des neutrinos, le plus abondant, particules subatomiques insaisissables et éthérées de la matière dans l'univers.

Bien qu'elles soient abondantes, chaque neutrino individuel est presque sans masse. Néanmoins, "ils façonnent de nombreux aspects de l'univers tel que nous le connaissons, " dit Hirohisa Tanaka, professeur de physique des particules et d'astrophysique à l'Université de Stanford et au SLAC National Accelerator Laboratory.

C'est pourquoi Tanaka et plus de 1, 000 autres chercheurs de plus de 30 pays sont engagés dans l'expérience Deep Underground Neutrino, ou DUNE, hébergé par le Laboratoire national de l'accélérateur Fermi du ministère de l'Énergie.

"Des milliards de neutrinos peuvent vous traverser sans que vous vous en rendiez compte, ils sont donc très difficiles à trouver et à étudier, " a déclaré Alfons Weber, professeur de physique à l'Université d'Oxford.

Les neutrinos sont de trois types qui se transforment l'un en l'autre :électron, muon et tau, et chacun a un cousin antimatière. DUNE utilisera deux détecteurs de particules séparés de 800 miles (1, 300 kilomètres) pour mesurer la transformation des neutrinos, ou osciller, en voyageant dans l'espace, matière et temps. Le détecteur de proximité DUNE, situé au Fermilab à l'extérieur de Chicago, mesurera les neutrinos et leur interaction avant d'osciller. Le détecteur de distance DUNE, qui sera situé à l'installation de recherche souterraine de Sanford dans le Dakota du Sud, les observera après oscillation.

Le projet est ambitieux dans sa portée internationale et ses objectifs scientifiques. Il pourrait fournir un nouvel aperçu du mélange déséquilibré de matière et d'antimatière, le phénomène qui a rendu possible la formation de la matière dans l'univers. Une découverte aussi importante nécessitera que les deux détecteurs travaillent en tandem.

"En raison des oscillations, la méthodologie consiste à mesurer le faisceau de neutrinos au site proche puis au site lointain et comparer les deux comportements, " a déclaré Luca Stanco de l'Institut national italien de physique nucléaire, souvent désigné par son acronyme italien, INFN. "Il est fondamental d'avoir sous contrôle toutes les caractéristiques du faisceau de neutrinos dans le détecteur proche, d'où vient le faisceau."

Hirohisa Tanaka, Alfons Weber, Luca Stanco, Michele Weber de l'Université de Berne, et Alan Bross et Jennifer Raaf du Fermilab jouent un rôle clé dans le développement des composants d'accrochage des neutrinos du détecteur proche DUNE.

Trois systèmes de sous-détecteurs

En s'appuyant sur les enseignements tirés des expériences précédentes, les conceptions des détecteurs sont devenues plus sophistiquées. Le détecteur de proximité DUNE, être installé à environ 600 mètres du lieu de production des neutrinos dans les accélérateurs du Fermilab, sera composé de trois sous-détecteurs qui seront placés côte à côte.

L'un des sous-détecteurs, connu sous le nom de SABLE, avec ses 15, 000 kilomètres (9, 320 miles) de fibres scintillatrices et ses 5, 000 photomultiplicateurs, détectera les neutrinos avec un calorimètre électronique, qui mesure l'énergie des particules, et un traqueur, qui enregistre les impulsions et la charge des particules. Un deuxième sous-détecteur, basé sur la technologie ArgonCube développée à l'Université de Berne en Suisse, utilisera de l'argon liquide pour imiter les interactions des neutrinos dans le détecteur lointain, et le troisième utilisera de l'argon gazeux. Travailler ensemble, ils mesureront les particules avec plus de précision que les autres détecteurs de neutrinos sont capables d'atteindre.

"C'est un système très compliqué, " dit Stanco, qui dirige le groupe travaillant sur SAND.

SAND se placera directement sur la trajectoire du faisceau de neutrinos pour mesurer sa stabilité et sa composition. Les deux détecteurs à argon, pendant ce temps, sera mobile, capable de s'asseoir directement dans le chemin du faisceau ou d'être incliné d'un côté. Les différents angles de vue permettront à ces détecteurs de mesurer comment les interactions des neutrinos changent à mesure que l'énergie des particules change.

Le sous-détecteur à argon liquide fonctionnera de la même manière que le détecteur lointain beaucoup plus grand de DUNE :lorsque les neutrinos interagissent avec l'argon liquide, l'interaction va créer des particules chargées qui seront détectées par des composants électroniques qui amplifient, numériser puis envoyer des signaux à un ordinateur où les informations contenues dans les signaux peuvent être reconstruites.

Plusieurs générations antérieures d'expériences sur les neutrinos ont conduit à une évolution de la conception des détecteurs de neutrinos. Lorsque les détecteurs de ces expériences antérieures ont été conçus, "Nous n'avions aucune idée à quel point nous comprenions mal comment les neutrinos interagissent et tous les différents effets que nous devons étudier pour faire une mesure robuste, ", a déclaré Alfons Weber.

Les détecteurs à argon liquide ont besoin de masses de plusieurs kilotonnes pour augmenter leurs chances d'observer les interactions des neutrinos.

"On dit toujours que les neutrinos sont insaisissables et difficiles à détecter, " dit Tanaka, dont l'équipe SLAC fournira les composants clés du sous-détecteur à argon liquide. "Vous n'en voyez que quelques-uns et très rarement."

L'inverse s'appliquera au détecteur proche. Là, "le faisceau de neutrinos que nous produisons est si intense que dans le sous-détecteur à argon liquide, nous verrons quelque chose comme 50 interactions en un millionième de seconde, " il a dit.

Le défi ainsi créé est d'identifier les neutrinos individuels, leurs énergies et leurs types à un rythme qui correspond au flot de neutrinos que le détecteur proche verra.

Pour capturer de telles données, le sous-détecteur à argon liquide consistera en un réseau de 35 modules plus petits fonctionnant presque indépendamment. Chaque module du réseau aura une masse d'environ trois tonnes. Lorsqu'une haute tension est appliquée au volume d'argon liquide, les électrons autrement passifs dans les atomes d'argon se libèrent et commencent à se déplacer vers un réseau d'éléments de détection.

L'argon liquide - refroidi à cet état à partir de sa forme gazeuse - est si dense que les particules les plus énergétiques échappent à sa détection. Pour capturer ces particules échappées, le sous-détecteur d'argon-gaz se trouve à côté de son homologue d'argon liquide. Beaucoup moins d'interactions de neutrinos se produiront dans le gaz argon en raison de sa densité plus faible.

"Vous pouvez mesurer d'autres choses dans le sous-détecteur d'argon-gaz que vous ne pouvez pas mesurer dans le sous-détecteur d'argon liquide, " a déclaré Weber. Cela comprend la mesure des effets des interactions des neutrinos sur les noyaux d'argon, un processus qui crée une incertitude dans les mesures d'oscillation des neutrinos.

Recherche de nouvelles particules

Les trois sous-détecteurs fonctionnant en combinaison permettront aux physiciens de rechercher des phénomènes dépassant les limites des lois physiques connues. Comme l'accélérateur de particules Main Injector du Fermilab génère des neutrinos qui traversent le détecteur proche DUNE, « d'autres particules pourraient également être produites, particules dont on ne sait encore rien, " Weber a dit. " D'autres particules pourraient être produites aussi, particules dont nous ne savons encore rien."

Les neutrinos lourds et les photons sombres entrent dans cette catégorie. L'existence de neutrinos lourds pourrait expliquer le fait déconcertant que les neutrinos connus ont une masse minuscule, et leur découverte pourrait aider à expliquer la nature de la matière noire. Les photons sombres seraient les cousins ​​invisibles des photons réguliers, qui sont des particules électromagnétiques. La détection de photons sombres – s'ils existent – ​​pourrait illuminer la partie vaste mais actuellement invisible du secteur sombre de l'univers.

Et puis il y a l'inattendu.

"Je pense et j'espère que nous aurons une surprise dans le résultat de la physique, " a déclaré Stanco.