Les neutrinos sont l'une des particules fondamentales qui composent l'Univers. Par rapport à d'autres types de particules, elles ont très peu de masse, aucune charge et n'interagissent avec les autres que par la force et la gravité nucléaires faibles. En tant que tel, trouver des preuves d'interactions avec les héritiers est extrêmement difficile, nécessitant des instruments massifs situés profondément sous terre pour les protéger de toute interférence.
Cependant, en utilisant la source de neutrons de spallation (SNS), une installation de recherche située au Oak Ridge National Laboratory (ORNL) - une équipe internationale de chercheurs a récemment fait une découverte historique sur les neutrinos en utilisant une méthode entièrement différente. Dans le cadre de l'expérience COHERENT, ces résultats confirment une prédiction faite il y a 43 ans et offrent de nouvelles possibilités pour la recherche sur les neutrinos.
L'étude qui détaille leurs conclusions, intitulée «Observation de la diffusion élastique cohérente des neutrinos et des noyaux», a récemment été publiée dans la revue Science. La recherche a été menée dans le cadre de l'expérience COHERENT, une collaboration de 80 chercheurs de 19 institutions de plus de 4 pays qui recherchent ce qui est connu sous le nom de diffusion cohérente des neutrinos-noyaux élastiques (CEvNS) depuis plus d'un an.
En trouvant des preuves de ce comportement, COHERENT a essentiellement fait l'histoire. Comme Jason Newby, physicien ORNL et coordinateur technique de COHERENT, l'a déclaré dans un communiqué de presse ORNL:
«L'expérience unique en physique des particules au Oak Ridge National Laboratory a été la première à mesurer la diffusion cohérente de neutrinos de faible énergie hors des noyaux.»
Pour le décomposer, le modèle standard de physique des particules indique que les neutrinos sont des leptons, une particule qui interagit très faiblement avec d'autres matières. Ils sont créés par la désintégration radioactive, les réactions nucléaires qui alimentent les étoiles et les supernovae. Le modèle de cosmologie du Big Bang prédit également que les neutrinos sont les particules les plus abondantes qui existent, car ils sont un sous-produit de la création de l'Univers.
À ce titre, leur étude a été un point focal majeur pour les physiciens théoriciens et les cosmologistes. Dans les études précédentes, les interactions avec les neutrinos ont été détectées en utilisant littéralement des tonnes de matériau cible, puis en examinant les transformations de particules résultant des neutrinos qui les ont frappés.
Les exemples incluent l'Observatoire Super-Kamiokande au Japon, une installation souterraine où le matériau cible est 50 000 tonnes d'eau ultra pure. Dans le cas de l'observatoire des neutrinos de Sudbury de SNOLAB - qui est situé dans un ancien complexe minier près de Sudbury, en Ontario - le détecteur de neutrinos SNO utilise de l'eau lourde pour la détection des neutrinos tandis que l'expérience SNO + utilisera un scintillateur liquide.
Et l'Observatoire des neutrinos IceCube - le plus grand détecteur de neutrinos au monde, situé à la station Amundsen – Scott South Pole en Antarctique - s'appuie sur la glace antarctique pour détecter les interactions des neutrinos. Dans tous les cas, les installations sont extrêmement isolées et dépendent d'un équipement très coûteux.
L'expérience COHERENT, cependant, est immensément plus petite et plus économique en comparaison, ne pesant que 14,5 kg (32 lb) et occupant beaucoup moins d'espace. L'expérience a été créée pour tirer parti du système basé sur un accélérateur SNS existant, qui produit les faisceaux de neutrons pulsés les plus intenses du monde afin de briser les atomes de mercure avec des faisceaux de protons.
Ce processus crée des quantités massives de neutrons qui sont utilisées pour diverses expériences scientifiques. Cependant, le processus crée également une quantité importante de neutrinos comme sous-produit. Pour en profiter, l'équipe COHERENT a commencé à développer une expérience sur les neutrinos appelée «allée des neutrinos». Situés dans un couloir de sous-sol à seulement 20 mètres (45 pieds) du réservoir de mercure, les épais murs de béton et de gravier offrent un blindage naturel.
Le couloir est également équipé de grands réservoirs d'eau pour bloquer les neutrinos supplémentaires, les rayons cosmiques et d'autres particules. Mais contrairement à d'autres expériences, les détecteurs COHERENT recherchent des signes de neutrinos se heurtant aux noyaux d'autres atomes. Pour ce faire, l'équipe a équipé le couloir de détecteurs reposant sur un cristal scintillateur à l'iodure de césium, qui utilise également du sodium pour augmenter la visibilité des signaux lumineux provoqués par les interactions des neutrinos.
Juan Collar, un physicien de l'Université de Chicago, a dirigé l'équipe de conception qui a créé le détecteur utilisé au SNS. Comme il l'a expliqué, il s'agissait d'une approche de «retour aux sources» qui supprimait les détecteurs plus chers et massifs:
«Ils sont sans doute le type de détecteur de rayonnement le plus piétonnier disponible, depuis environ un siècle. L'iodure de césium dopé au sodium fusionne toutes les propriétés requises pour fonctionner comme un petit détecteur de neutrinos cohérent «portatif». Très souvent, moins c'est plus. »
Grâce à leur expérience et à la sophistication du SNS, les chercheurs ont pu déterminer que les neutrinos sont capables de se coupler à des quarks grâce à l'échange de bosons Z neutres. Ce processus, connu sous le nom de diffusion cohérente des neutrinos et des noyaux élastiques (CEvNS), a été prédit pour la première fois en 1973. Mais jusqu'à présent, aucune expérience ni équipe de recherche n'a pu le confirmer.
Comme l'a indiqué Jason Newby, l'expérience a réussi en grande partie grâce à la sophistication de l'installation existante. «L'énergie des neutrinos SNS est presque parfaitement réglée pour cette expérience - suffisamment grande pour créer un signal détectable, mais suffisamment petite pour tirer parti de la condition de cohérence», a-t-il déclaré. "Le seul pistolet fumant de l'interaction est une petite quantité d'énergie transmise à un seul noyau."
Les données qu'il a produites étaient également plus propres qu'avec les expériences précédentes, car les neutrinos (comme le faisceau de neutrons SNS qui les a produits) étaient également pulsés. Cela a permis de séparer facilement le signal des signaux de fond, ce qui offrait un avantage sur les sources de neutrinos en régime permanent - telles que celles produites par les réacteurs nucléaires.
L'équipe a également détecté trois «saveurs» de neutrinos, qui comprenaient des neutrinos de muons, des antineutrinos de muons et des neutrinos électroniques. Alors que les neutrinos à muons sont apparus instantanément, les autres ont été détectés quelques microsecondes plus tard. À partir de là, l'équipe COHERENT a non seulement validé la théorie du CEvNS, mais aussi le modèle standard de la physique des particules. Leurs découvertes ont également des implications pour l'astrophysique et la cosmologie.
Comme l'explique Kate Scholberg, physicienne de Duke University et porte-parole de COHERENT:
«Lorsqu'une étoile massive s'effondre puis explose, les neutrinos déversent une énorme énergie dans l'enveloppe stellaire. La compréhension du processus permet de comprendre comment ces événements dramatiques se produisent… Les données de COHERENT aideront à l'interprétation des mesures des propriétés des neutrinos par des expériences dans le monde entier. Nous pouvons également être en mesure d'utiliser la diffusion cohérente pour mieux comprendre la structure du noyau. »
Bien qu'il ne soit pas nécessaire de confirmer davantage leurs résultats, les chercheurs COHERENT prévoient d'effectuer des mesures supplémentaires afin d'observer des interactions cohérentes des neutrinos à des taux distincts (une autre signature du processus). À partir de cela, ils espèrent élargir leurs connaissances sur la nature du CEvNS, ainsi que sur d'autres propriétés fondamentales des neutrinos - telles que leur magnétisme intrinsèque.
Cette découverte était certainement impressionnante en soi, étant donné qu'elle valide un aspect à la fois du modèle standard de la physique des particules et de la cosmologie du Big Bang. Mais le fait que la méthode offre des résultats plus propres et repose sur des instruments beaucoup plus petits et moins chers que les autres expériences - c'est très impressionnant!
Les implications de cette recherche seront certainement de grande envergure, et il sera intéressant de voir quelles autres découvertes elle permettra à l'avenir!
