Les neutrinos de haute énergie sont des particules extrêmement rares qui s’avèrent jusqu’à présent très difficiles à détecter. Les flux de ces particules rares ont été détectés pour la première fois par la collaboration IceCube en 2013.
Articles récents présentés dans Physical Review D et Les lettres du journal astrophysique ont découvert que les supernovae proches, en particulier celles galactiques, seraient des sources prometteuses de neutrinos de haute énergie. Cela a inspiré de nouvelles études explorant la possibilité de détecter les neutrinos provenant de ces sources à l'aide de détecteurs à grand collisionneur de particules, tels que le détecteur ATLAS du CERN.
Des chercheurs de l’Université Harvard, de l’Université du Nevada et de l’Université d’État de Pennsylvanie ont récemment démontré que le détecteur ATLAS pouvait mesurer le flux de neutrinos de supernova de haute énergie. Leur nouvel article, publié dans Physical Review Letters , pourrait inspirer les futurs efforts visant à détecter les flux de neutrinos de haute énergie.
"Carlos A. Argüelles, Ali Kheirandish et moi-même nous sommes rencontrés lors de l'atelier KITP à Santa Barbara et avons découvert que les neutrinos de supernova de haute énergie sont des cibles prometteuses non seulement pour les grands détecteurs de neutrinos, mais également pour les détecteurs de physique des particules", a déclaré Kohta Murase, co. -auteur de l'article, a déclaré à Phys.org. "Les détecteurs de collisionneurs comme ATLAS du LHC peuvent être bien meilleurs que les détecteurs de neutrinos comme IceCube pour étudier les propriétés des neutrinos (saveurs, antineutrinos, nouvelle physique, etc.)."
Les sections efficaces neutrino-nucléon, la masse d'ATLAS et le flux attendu de neutrinos d'une supernova donnée en fonction du temps étaient déjà connus. En considérant ensemble une partie intégrante de ces quantités connues, Murase et ses collègues ont pu estimer le nombre de neutrinos qui interagiraient directement dans le détecteur ATLAS.
"Nous avons également pris en compte les neutrinos qui interagissent dans la Terre en dehors du détecteur et produisent un muon qui pourrait être détecté à l'intérieur du détecteur", a déclaré Alex Y. Wen, co-auteur de l'article. "Nous avons utilisé un logiciel appelé LeptonInjector, qui a modélisé de tels événements en tenant compte du flux de neutrinos, de la géométrie du détecteur, etc. Ces calculs nous ont donné le nombre estimé d'événements de signaux de neutrinos pour une supernova donnée.
"À partir de là, sur la base de ce que nous connaissions des capacités matérielles d'ATLAS, nous avons montré qu'il pouvait distinguer ces signaux du bruit de fond et récupérer des informations importantes sur le neutrino telles que sa charge et sa saveur."
Sur la base de leurs calculs, Murase, Wen et leurs collègues ont conclu que même avec des statistiques limitées, le détecteur ATLAS du Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN devrait être capable de caractériser la saveur des neutrinos. De plus, le détecteur devrait être capable de faire la distinction entre les neutrinos et les antineutrinos.
"De nombreuses études antérieures sur les neutrinos astrophysiques de haute énergie reposaient sur des détecteurs de grand volume utilisant de l'eau ou de la glace (tels que Super-Kamiokande et IceCube)", a déclaré Murase. "Ce travail démontre que les détecteurs de grosses particules dans les expériences de collisionneurs, tels qu'ATLAS et CMS, qui ont de bien meilleures résolutions énergétiques et angulaires et des capacités d'identification de particules, servent de détecteurs de neutrinos astrophysiques uniques. Ceci est puissant et complémentaire à l'approche conventionnelle."
Cet article récent met en évidence le potentiel des détecteurs des collisionneurs ATLAS et CMS pour détecter à l'avenir les neutrinos de haute énergie provenant des supernovae galactiques. À l'avenir, cela pourrait ainsi inciter la collaboration ATLAS et CMS à lancer des recherches sur les neutrinos de haute énergie des supernovae galactiques, aidant potentiellement à recueillir de nouvelles informations sur ces particules rares uniquement avec un nombre limité de neutrinos.
"Notre travail ajoute ATLAS et des expériences similaires densément instrumentées à un réseau d'expériences surveillant le ciel à la recherche des prochaines supernovae galactiques", a déclaré Carlos Argüelles-Delgado, un autre chercheur impliqué dans l'étude. "C'est très excitant pour moi de penser aux scientifiques travaillant dans un large éventail de domaines expérimentaux de la physique des hautes énergies, des énergies MeV à TeV, qui se penchent sur ce sujet."
Murase, Wen et leurs collaborateurs prévoient de continuer à explorer cette voie de recherche nouvellement identifiée. Dans leurs prochains travaux, ils aimeraient par exemple se concentrer sur la manière dont d'autres détecteurs de collisionneurs pourraient contribuer à l'observation des neutrinos de haute énergie.
"Dans nos futures études, il pourrait être intéressant de considérer les perspectives d'autres détecteurs de collisionneurs et les implications pour la physique au-delà du modèle standard", a ajouté Murase.
Plus d'informations : Alex Y. Wen et al, Détection de neutrinos de haute énergie à partir de supernovae galactique avec ATLAS, Physical Review Letters (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.132.061001
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