Les neutrinos interagissant avec les noyaux. Crédit : Jefferson Lab du DOE
Les physiciens nucléaires en début de carrière montrent qu’une meilleure compréhension de la façon dont les neutrinos interagissent avec la matière est nécessaire pour tirer le meilleur parti des expériences à venir.
Les neutrinos pourraient être la clé pour enfin résoudre un mystère sur les origines de notre univers dominé par la matière, et les préparatifs de deux expériences majeures d’un milliard de dollars sont en cours pour révéler les secrets des particules. Maintenant, une équipe de physiciens nucléaires s’est tournée vers l’humble électron pour donner un aperçu de la façon dont ces expériences peuvent mieux se préparer à capturer des informations critiques. Leurs recherches, qui ont été menées au Thomas Jefferson National Accelerator Facility du département américain de l’Énergie et récemment publiées dans La nature, révèle que des mises à jour majeures des modèles de neutrinos sont nécessaires pour que les expériences obtiennent des résultats de haute précision.
Les neutrinos sont omniprésents, générés en grand nombre par les étoiles dans tout notre univers. Bien que répandues, ces particules timides interagissent rarement avec la matière, ce qui les rend très difficiles à étudier.
« Il y a ce phénomène de neutrinos changeant d’un type à l’autre, et ce phénomène s’appelle l’oscillation des neutrinos. Il est intéressant d’étudier ce phénomène, car il n’est pas bien compris », a déclaré Mariana Khachatryan, co-auteur principal de l’étude qui était étudiante diplômée à l’Université Old Dominion dans le groupe de recherche du professeur et éminent chercheur Larry Weinstein lorsqu’elle a contribué à la recherche. Elle est maintenant associée de recherche postdoctorale à la Florida International University.
Une façon d’étudier l’oscillation des neutrinos est de construire de gigantesques détecteurs ultra-sensibles pour mesurer les neutrinos profondément sous terre. Les détecteurs contiennent généralement des matériaux denses avec de gros noyaux, de sorte que les neutrinos sont plus susceptibles d’interagir avec eux. De telles interactions déclenchent une cascade d’autres particules qui sont enregistrées par les détecteurs. Les physiciens peuvent utiliser ces données pour extraire des informations sur les neutrinos.
“La façon dont les physiciens des neutrinos le font est de mesurer toutes les particules issues de l’interaction des neutrinos avec les noyaux et de reconstruire l’énergie des neutrinos entrants pour en savoir plus sur le neutrino, ses oscillations, et pour les mesurer très, très précisément”, a expliqué Adi Ashkénaze. Ashkenazi est l’auteur de contact de l’étude qui a travaillé sur ce projet en tant que chercheur dans le groupe de recherche du professeur Or Hen au Massachusetts Institute of Technology. Elle est maintenant maître de conférences à l’Université de Tel-Aviv.
“Les détecteurs sont constitués de noyaux lourds, et les interactions des neutrinos avec ces noyaux sont en fait des interactions très compliquées”, a déclaré Ashkenazi. “Ces méthodes de reconstruction énergétique des neutrinos sont toujours très difficiles, et c’est notre travail d’améliorer les modèles que nous utilisons pour les décrire.”
Ces méthodes incluent la modélisation des interactions avec une simulation théorique appelée GENIE, permettant aux physiciens de déduire les énergies des neutrinos entrants. GENIE est un amalgame de nombreux modèles dont chacun aide les physiciens à reproduire certains aspects des interactions entre les neutrinos et les noyaux. Comme on en sait si peu sur les neutrinos, il est difficile de tester directement GENIE pour s’assurer qu’il produira des résultats à la fois précis et de haute précision à partir des nouvelles données qui seront fournies par les futures expériences sur les neutrinos, telles que l’expérience Deep Underground Neutrino (DUNE) ou Hyper-Kamiokande.
Pour tester GENIE, l’équipe s’est tournée vers une humble particule que les physiciens nucléaires connaissent beaucoup mieux : l’électron.
«Cela exploite les similitudes entre les électrons et les neutrinos. Nous utilisons des études sur les électrons pour valider les modèles d’interaction neutrino-noyau », a déclaré Khachatryan.
Les neutrinos et les électrons ont de nombreux points communs. Ils appartiennent tous les deux à la famille des particules subatomiques appelées leptons, ce sont donc tous deux des particules élémentaires qui ne sont pas affectées par la force forte.
Dans cette étude, l’équipe a utilisé une version à diffusion d’électrons de GENIE, surnommée e-GENIE, pour tester les mêmes algorithmes de reconstruction d’énergie entrante que les chercheurs sur les neutrinos utiliseront. Au lieu d’utiliser des neutrinos, ils ont utilisé des résultats électroniques récents.
“Les électrons sont étudiés depuis des années et les faisceaux d’électrons ont des énergies très précises”, a déclaré Ashkenazi. « Nous connaissons leurs énergies. Et lorsque nous essayons de reconstruire cette énergie entrante, nous pouvons la comparer à ce que nous savons. Nous pouvons tester l’efficacité de nos méthodes pour différentes énergies, ce que vous ne pouvez pas faire avec les neutrinos.
Les données d’entrée pour l’étude proviennent d’expériences menées avec le détecteur CLAS à l’installation d’accélérateur de faisceau d’électrons continu de Jefferson Lab, une installation d’utilisateurs du DOE. Le CEBAF est l’accélérateur d’électrons le plus avancé au monde pour sonder la nature de la matière. L’équipe a utilisé des données qui reflétaient directement le cas le plus simple à étudier dans les expériences sur les neutrinos : des interactions qui ont produit un électron et un proton (contre un muon et un proton) à partir de noyaux d’hélium, de carbone et de fer. Ces noyaux sont similaires aux matériaux utilisés dans les détecteurs d’expérience de neutrinos.
De plus, le groupe a travaillé pour s’assurer que la version électronique de GENIE était aussi parallèle que possible à la version neutrino.
“Nous avons utilisé exactement la même simulation que celle utilisée par les expériences sur les neutrinos, et nous avons utilisé les mêmes corrections”, a expliqué Afroditi Papadopoulou, co-auteur principal de l’étude et étudiant diplômé à AVEC qui fait également partie du groupe de recherche de Hen. « Si le modèle ne fonctionne pas pour les électrons, là où nous parlons du cas le plus simplifié, il ne fonctionnera jamais pour les neutrinos.
Même dans ce cas le plus simple, une modélisation précise est cruciale, car les données brutes des interactions électron-noyau sont généralement reconstruites à l’énergie correcte du faisceau d’électrons entrant moins de la moitié du temps. Un bon modèle peut rendre compte de cet effet et corriger les données.
Cependant, lorsque GENIE a été utilisé pour modéliser ces événements de données, ses performances ont été encore pires.
« Cela peut biaiser les résultats de l’oscillation des neutrinos. Nos simulations doivent être capables de reproduire nos données d’électrons avec ses énergies de faisceau connues avant que nous puissions avoir confiance qu’elles seront précises dans les expériences sur les neutrinos », a déclaré Papadopoulou.
Khatchatrian a accepté.
“Le résultat est en fait de souligner que certains aspects de ces méthodes et modèles de reconstruction énergétique doivent être améliorés”, a déclaré Khachatryan. “Cela montre également une voie pour y parvenir pour de futures expériences.”
La prochaine étape de cette recherche consiste à tester des noyaux cibles spécifiques d’intérêt pour les chercheurs sur les neutrinos et à un spectre plus large d’énergies d’électrons entrants. Disposer de ces résultats spécifiques pour une comparaison directe aidera les chercheurs sur les neutrinos à affiner leurs modèles.
Selon l’équipe d’étude, l’objectif est de parvenir à un large accord entre les données et les modèles, ce qui contribuera à garantir que DUNE et Hyper-Kamiokande peuvent atteindre les résultats de haute précision attendus.
Référence : “Electron Beam Energy Reconstruction for Neutrino Oscillation Measurements” par M. Khachatryan, A. Papadopoulou, A. Ashkenazi, F. Hauenstein, A. Nambrath, A. Hrnjic, LB Weinstein, O. Hen, E. Piasetzky, M. Betancourt, S. Dytman, K. Mahn, P. Coloma, la Collaboration CLAS et la Collaboration e4ν, 24 novembre 2021, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-04046-5
