Les physiciens de la collaboration MicroBooNE au Fermilab ont effectué une mesure inédite : un ensemble complet de sections efficaces d’interaction neutrino-argon en fonction de l’énergie.
Une illustration de l’idée qu’un neutrino (v) et un électron (e) interagissent avec les noyaux de manière comparable. Crédit image : Jefferson Lab.
Les neutrinos sont de minuscules particules subatomiques à la fois insaisissables et extrêmement abondantes.
Alors qu’ils bombardent inlassablement chaque centimètre de la surface de la Terre à la vitesse de la lumière, les neutrinos peuvent traverser une année-lumière de plomb sans jamais perturber un seul atome.
La compréhension de ces mystérieuses particules pourrait permettre de percer certains des plus grands secrets de l’Univers.
L’expérience MicroBooNE collecte des données sur les neutrinos depuis 2015, en partie en tant que banc d’essai pour l’expérience Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), qui est actuellement en cours de construction.
Pour identifier les neutrinos insaisissables, les deux expériences utilisent une chambre de projection temporelle à argon liquide à faible bruit (LArTPC), un détecteur sophistiqué qui capture les signaux des neutrinos lorsque les particules traversent de l’argon liquide glacial maintenu à moins 186 degrés Celsius (moins 303 degrés Fahrenheit).
Aujourd’hui, l’équipe MicroBooNE a affiné ces techniques en mesurant la section transversale neutrino-argon.
“La section transversale neutrino-argon représente la façon dont les noyaux d’argon répondent à un neutrino incident”, a déclaré le Dr Xin Qian, physicien au Brookhaven National Laboratory.
“Notre objectif ultime est d’étudier les propriétés des neutrinos, mais nous devons d’abord mieux comprendre comment les neutrinos interagissent avec le matériau d’un détecteur, comme les atomes d’argon.”
L’une des propriétés les plus importantes des neutrinos est la façon dont les particules oscillent entre trois saveurs distinctes : le neutrino muonique, le neutrino tau et le neutrino électronique.
Les physiciens savent que ces oscillations dépendent de l’énergie des neutrinos, entre autres paramètres, mais cette énergie est très difficile à estimer.
Non seulement les interactions des neutrinos sont extrêmement complexes dans la nature, mais il y a également une grande dispersion d’énergie dans chaque faisceau de neutrinos.
La détermination des sections croisées détaillées en fonction de l’énergie fournit aux physiciens un élément d’information essentiel pour étudier les oscillations des neutrinos.
“Une fois que nous connaissons la section efficace, nous pouvons inverser le calcul pour déterminer l’énergie moyenne des neutrinos, leur saveur et leurs propriétés d’oscillation à partir d’un grand nombre d’interactions”, a déclaré le Dr Wenqiang Gu, également du Brookhaven National Laboratory.
Pour y parvenir, l’équipe MicroBooNE a mis au point une nouvelle technique permettant d’extraire la section efficace détaillée en fonction de l’énergie.
“Les techniques précédentes mesuraient la section transversale en fonction de variables qui sont facilement reconstruites”, a déclaré London Cooper-Troendle, étudiante diplômée de l’Université de Yale.
“Par exemple, si vous étudiez un neutrino muonique, vous voyez généralement un muon chargé sortir de l’interaction entre les particules, et ce muon chargé a des propriétés bien définies comme son angle et son énergie.”
“Ainsi, on peut mesurer la section transversale en fonction de l’angle ou de l’énergie du muon.”
“Mais sans un modèle capable de rendre compte avec précision de l’énergie manquante, un terme que nous utilisons pour décrire l’énergie supplémentaire dans les interactions entre neutrinos qui ne peut pas être attribuée aux variables reconstruites, cette technique obligerait les expériences à agir de manière conservatrice.”
Les chercheurs ont cherché à valider le processus de reconstruction de l’énergie des neutrinos avec une précision sans précédent, améliorant ainsi la modélisation théorique des interactions entre neutrinos, nécessaire pour DUNE.
Pour ce faire, ils ont appliqué leur expertise et les leçons tirées de leurs travaux précédents sur l’expérience MicroBooNE, comme leurs efforts pour reconstruire les interactions avec différentes saveurs de neutrinos.
“Nous avons ajouté une nouvelle contrainte pour améliorer de manière significative la modélisation mathématique de la reconstruction de l’énergie des neutrinos”, a déclaré le Dr Hanyu Wei, physicien à l’Université d’État de Louisiane.
Les scientifiques ont validé ce modèle nouvellement contraint par rapport aux données expérimentales pour produire la première mesure détaillée de la section transversale neutrino-argon en fonction de l’énergie.
“Les résultats de la section transversale du neutrino-argon obtenus par cette analyse permettent de distinguer différents modèles théoriques pour la première fois”, a déclaré le Dr Gu.
Les résultats ont été publiés dans la revue Physical Review Letters.
