Les représentations de la déesse romaine de la sagesse Minerve la montrent vêtue de robes fluides, portant un noble casque de guerre et tenant un hibou. En revanche, l'expérience MINERvA comprend un énorme détecteur de particules sur lequel sont griffonnés les noms des scientifiques collaborateurs.

Bien que d’apparence assez différente, cette expérience sur les neutrinos apporte une profonde sagesse aux scientifiques, tout comme son homonyme le représente. Parmi ses nombreuses découvertes, les scientifiques ont utilisé MINERvA pour mieux comprendre la taille et la structure des protons, l'un des éléments constitutifs des atomes.

MINERvA est une expérience de diffusion de neutrinos menée au laboratoire Fermi du ministère de l'Énergie. Les neutrinos sont de minuscules particules électriquement neutres incroyablement abondantes. Le soleil, d’autres étoiles et de nombreux objets différents les produisent à la suite de réactions atomiques. En fait, il y a plus de neutrinos dans l'univers que toute autre particule possédant une masse.

Bien qu’ils soient omniprésents, nous ne remarquons jamais les neutrinos car ils ne réagissent presque jamais avec quoi que ce soit. L'étude des neutrinos est essentielle pour comprendre comment notre univers s'est formé dans le passé et fonctionne aujourd'hui.

Pour mieux comprendre cette particule fondamentale, les scientifiques étudient comment les neutrinos interagissent avec les matériaux dans les rares occasions où ils le font réellement. La mission de MINERvA est de capturer ces interactions.

Il utilise un faisceau de neutrinos de haute intensité pour étudier leur interaction avec les noyaux de cinq éléments différents. En faisant en sorte que les neutrinos atteignent des cibles constituées de différents matériaux (eau, hélium, carbone, fer, plomb et plastique), les scientifiques peuvent comparer les réactions. Cartographier les différentes interactions aidera les scientifiques à analyser les résultats d'autres expériences comme la prochaine expérience Deep Underground Neutrino.

En plus de cet objectif, les scientifiques de la collaboration MINERvA ont trouvé une autre utilisation intelligente de leurs données :étudier la taille et la structure du proton.

Avec les neutrons, les protons constituent les noyaux des atomes qui nous composent et tout ce qui nous entoure. Ils constituent l'un des éléments constitutifs de la matière avec laquelle nous interagissons quotidiennement.

Mais étudier les particules subatomiques est bien plus délicat que l’étude d’objets plus gros. Les particules subatomiques sont bien trop petites pour être étudiées avec des outils ordinaires comme des microscopes. De plus, la « taille » d’une particule subatomique n’a pas tout à fait la même signification que la taille d’un objet que vous pouvez mesurer avec une règle. Au lieu de cela, les scientifiques étudient les forces qui maintiennent le proton ensemble.

Dans le passé, les scientifiques étudiaient la taille du proton en utilisant la force électromagnétique. L'électromagnétisme est l'une des quatre forces fondamentales de l'univers. Les champs magnétiques, les champs électriques et même la lumière sont soumis à la force électromagnétique. Il lie les électrons au noyau (constitué de protons et de neutrons) de l’atome. Il est également en partie responsable de la structure du noyau.

Pour représenter la taille du proton, les scientifiques utilisent généralement le rayon de charge électrique. C'est le rayon moyen de la charge électrique distribuée dans le proton. Pour mesurer cette caractéristique, les scientifiques dirigent un faisceau d’électrons d’une seule énergie vers une cible. Les électrons s'éloignent des protons dans de nombreuses directions et énergies différentes, ce qui donne aux scientifiques des informations sur la structure interne des protons.

Grâce à cette technique, les scientifiques ont pu mesurer très précisément la taille du rayon de charge électrique moyen du proton, et donc des quarks qui fournissent la charge électrique.

Dirigée par Tejin Cai (alors doctorant à l’Université de Rochester), la collaboration MINERvA avait une approche différente. L'idée était d'utiliser les antineutrinos, le jumeau antimatière des neutrinos, pour étudier les protons.

Parce que les neutrinos (et les antineutrinos) n'ont pas de charge, ils n'interagiraient pas via la force électromagnétique. Au lieu de cela, les neutrinos interagiraient via la force faible des protons. La force faible et la gravité sont les deux seules façons dont les neutrinos interagissent avec quoi que ce soit.

Malgré son nom, la force faible est puissante. Une autre de ces quatre forces fondamentales, elle permet le processus par lequel les protons se transforment en neutrons ou vice versa. Ces processus sont à l’origine des réactions nucléaires du Soleil et des autres étoiles. Les neutrinos offrent un outil unique pour étudier la force faible.

Mais la force faible n’entre en jeu que lorsque les particules sont très, très proches les unes des autres. Lorsque les neutrinos planent dans l'espace, ils se déplacent généralement à travers les espaces (relativement) vastes situés entre les électrons et le noyau d'un atome.

La plupart du temps, les neutrinos ne sont tout simplement pas suffisamment proches des protons pour qu'ils puissent interagir via la force faible. Pour obtenir suffisamment de mesures, les scientifiques doivent tirer un nombre impressionnant de neutrinos ou d'antineutrinos sur une cible.

Le puissant faisceau de neutrinos et les diverses cibles de MINERvA ont rendu cet objectif possible. Dans un monde idéal, les scientifiques dirigeraient des neutrinos vers une cible constituée de neutrons purs, ou des antineutrinos vers une cible constituée de protons purs. De cette manière, les scientifiques pourraient obtenir les mesures les plus spécifiques. Malheureusement, ce n'est pas une configuration expérimentale très réaliste.

Mais MINERvA avait déjà ce qu’il y avait de mieux :beaucoup d’antineutrinos et une cible en polystyrène. Le matériau qui compose la mousse de polystyrène, le polystyrène, est composé d'hydrogène lié au carbone. En utilisant cette cible, les scientifiques pourraient mesurer la manière dont les antineutrinos interagissent avec l'hydrogène et le carbone.

Pour séparer l’hydrogène du carbone, les scientifiques ont adopté une approche similaire à celle consistant à prendre une photo puis à supprimer l’arrière-plan pour vous permettre de vous concentrer sur quelques éléments seulement. Pour déterminer ces interactions « de fond » neutrino-carbone, les scientifiques ont examiné les neutrons.

Lorsque les antineutrinos interagissent avec des protons du carbone ou avec eux-mêmes des protons de l’hydrogène, ils produisent des neutrons. En suivant les neutrons, les scientifiques pourraient travailler à rebours pour identifier et supprimer les interactions carbone-antineutrino des interactions hydrogène-antineutrino.

Obtenir le nombre nécessaire d'interactions a véritablement mis à l'épreuve les capacités de MINERvA. En trois ans, les scientifiques ont enregistré plus d’un million d’interactions d’antineutrinos avec d’autres particules. Seulement 5 000 d’entre eux utilisaient de l’hydrogène.

Ces données ont finalement permis aux scientifiques de calculer la taille du proton à l'aide de neutrinos. Au lieu du rayon de charge électrique, ils ont calculé le rayon de charge faible du proton. C'était la première fois que les scientifiques utilisaient les neutrinos pour effectuer une mesure statistiquement significative de cette caractéristique.

Compte tenu des incertitudes, le résultat était très proche des mesures précédentes du rayon de charge électrique du proton. Puisqu'il s'agit essentiellement de mesurer la distribution spatiale des quarks et des gluons qui composent le proton, la valeur devrait être similaire.

Cette nouvelle technique offre aux scientifiques un outil supplémentaire dans leur boîte à outils pour étudier la structure du proton. Cela témoigne de la sagesse que nous pouvons acquérir lorsque les scientifiques réfléchissent de manière créative à l'utilisation des expériences existantes pour explorer de nouveaux domaines de recherche.

Fourni par le Département américain de l'énergie