Une équipe de physiciens de la collaboration COHERENT est la première à détecter et à caractériser la diffusion élastique cohérente de neutrinos de faible énergie sur des noyaux atomiques.
Diffusion élastique cohérente des neutrinos sur les noyaux. Crédit image : Collaboration COHERENT.
Les neutrinos, particules subatomiques minuscules qui interagissent rarement avec la matière, sont souvent décrits comme ” fantomatiques “.
Sans charge et presque sans masse, des trillions de neutrinos traversent notre corps chaque seconde, mais nous n’avons aucun moyen de les sentir.
En 1974, le physicien du Fermilab Daniel Freedman a prédit une nouvelle façon pour les neutrinos d’interagir avec la matière.
Plus de quatre décennies plus tard, la collaboration COHERENT a construit le plus petit détecteur de neutrinos au monde afin d’observer pour la première fois cette interaction insaisissable, appelée diffusion élastique cohérente.
“Les détecteurs de neutrinos de plus grande taille sont généralement plus aptes à repérer ces particules, car ils ont simplement plus de matière avec laquelle les neutrinos peuvent interagir, ce qui augmente d’autant la probabilité qu’ils soient capables de capter au moins un de ces événements rares”, a déclaré Kate Scholberg, professeur à Duke et porte-parole de la collaboration COHERENT.
“Mais la détection de la diffusion élastique cohérente est un peu différente de la détection d’autres types d’interactions entre neutrinos”.
“Les interactions de diffusion se produisent beaucoup plus souvent, mais sont également beaucoup plus faibles en magnitude, que certains des autres comportements. Par conséquent, des détecteurs plus petits mais extrêmement sensibles peuvent être plus efficaces.”
Lorsqu’un neutrino heurte le noyau d’un atome, il crée un recul minuscule, à peine mesurable.
La fabrication d’un détecteur à partir d’éléments lourds comme l’iode, le césium ou le xénon augmente considérablement la probabilité de ce mode d’interaction des neutrinos, par rapport aux autres processus.
Mais il y a un compromis à faire, car les minuscules reculs nucléaires qui en résultent deviennent plus difficiles à détecter lorsque le noyau devient plus lourd.
Pour détecter ce petit recul, les scientifiques ont découvert qu’un cristal d’iodure de césium dopé au sodium était le matériau idéal.
Le détecteur construit par l’équipe mesure environ 13 pouces de long et 4 pouces de large, et ne pèse que 14,5 kg. En comparaison, les observatoires de neutrinos les plus célèbres au monde sont équipés de milliers de tonnes de matériel de détection.
Les physiciens sont enthousiasmés par cette découverte car des mesures minutieuses de la diffusion élastique cohérente pourraient constituer un outil puissant pour tester les limites du modèle standard, la meilleure hypothèse des physiciens pour une description mathématique globale de l’Univers.
“Cela est utile non seulement pour étudier les propriétés fondamentales des neutrinos eux-mêmes, mais aussi pour utiliser leurs interactions afin de contraindre notre connaissance de la physique nucléaire, du modèle standard et des extensions possibles au-delà du modèle standard”, a déclaré Grayson Rich, membre de l’équipe, étudiant diplômé à l’Université de Caroline du Nord.
“Cette découverte est excitante en soi, mais ce n’est vraiment que l’étape zéro. Mais c’est une étape zéro assez importante”.
“Les données de COHERENT aideront à l’interprétation des mesures des propriétés des neutrinos par les expériences du monde entier”, a déclaré le professeur Scholberg.
“Nous pourrons également être en mesure d’utiliser la diffusion cohérente pour mieux comprendre la structure du noyau”.
Les résultats de l’équipe ont été publiés en ligne le 3 août 2017 dans la revue. Science.
