Une équipe de physiciens des États-Unis et d’Italie a mis au point un modèle précis pour expliquer comment les neutrinos interagissent avec les noyaux atomiques, des systèmes complexes composés de protons et de neutrons (nucléons) liés par la force forte. Ces connaissances sont essentielles pour élucider un mystère encore plus grand : pourquoi, au cours de leur voyage à travers l’espace ou la matière, les neutrinos se transforment comme par magie en l’un des trois types ou saveurs possibles.
Les étoiles filantes pourraient nous envoyer des neutrinos super-énergétiques. Crédit image : DESY / Science Communication Lab.
Les neutrinos – souvent appelés “particules fantômes” parce qu’ils traversent la matière, et notre corps, de manière inaperçue – sont entourés de mystère.
Ils étaient l’une des particules les plus abondantes à l’origine de l’Univers et le sont toujours aujourd’hui.
Malgré près d’un siècle de recherches, les physiciens ne comprennent toujours pas complètement les masses des neutrinos ou les paramètres qui caractérisent un comportement bizarre connu sous le nom d’oscillations de saveur – la capacité de passer d’une saveur (ou type) à une autre.
Pour mesurer ces oscillations de saveur, les physiciens ont mené deux séries d’expériences – MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment) et NOvA (NuMI Off-axis νe Appearance) – au Fermi National Accelerator Laboratory du DOE.
Dans ces expériences, on génère un flux intense de neutrinos dans un accélérateur de particules, puis on les envoie dans des détecteurs de particules sur une longue période de temps ou à cinq cents kilomètres de la source, respectivement.
Connaissant la distribution originale des saveurs des neutrinos, ils recueillent ensuite des données relatives aux interactions des neutrinos avec les noyaux atomiques dans les détecteurs.
A partir de ces informations, ils peuvent calculer tout changement dans les saveurs des neutrinos en fonction du temps ou de la distance.
Dans le cas des détecteurs MiniBooNE et NOvA, les noyaux proviennent de l’isotope carbone-12, qui possède six protons et six neutrons.
Sections croisées des interactions neutrino-nucléaires en fonction de l’énergie ; l’amélioration de l’accord entre l’expérience et les calculs du modèle apparaît clairement dans le cas d’une paire de nucléons plutôt que d’un seul nucléon ; l’encadré montre un neutrino interagissant avec un noyau et éjectant un lepton. Crédit image : Argonne National Laboratory.
L’interprétation de ces expériences dépend fortement d’une compréhension détaillée de la façon dont les neutrinos interagissent avec les noyaux atomiques sur une large gamme d’énergies.
Alessandro Lovato et ses collègues de l’Argonne National Laboratory du Département américain de l’énergie (DOE), de l’Institut de physique fondamentale et d’applications de Trente INFN-TIFPA, du Los Alamos National Laboratory, du Jefferson Lab et de l’Old Dominion University ont abordé ce problème dans le régime où les protons et les neutrons sont les acteurs dominants de l’interaction.
“Bien qu’ils aient été postulés il y a près d’un siècle et détectés pour la première fois il y a 65 ans, les neutrinos restent entourés de mystère en raison de leur réticence à interagir avec la matière”, a déclaré le Dr Lovato.
“Notre équipe est entrée en scène parce que ces expériences nécessitent un modèle très précis des interactions des neutrinos avec les noyaux du détecteur sur une large gamme d’énergie”, a ajouté le Dr Noemi Rocco, chercheur postdoctoral à l’Argonne National Laboratory et au Fermilab.
Le modèle de physique nucléaire de l’équipe concernant les interactions des neutrinos avec un seul nucléon et une paire de nucléons est le plus précis à ce jour.
“Notre approche est la première à modéliser ces interactions à un niveau aussi microscopique “, a déclaré le Dr Rocco.
“Les approches antérieures n’étaient pas aussi fines”.
L’un des résultats importants de l’équipe, basé sur des calculs effectués sur le superordinateur Mira, aujourd’hui retiré, à l’Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), était que l’interaction de la paire de nucléons est cruciale pour modéliser avec précision les interactions des neutrinos avec les noyaux.
“Plus les noyaux sont gros dans le détecteur, plus la probabilité que les neutrinos interagissent avec eux est grande”, a déclaré M. Lovato.
“À l’avenir, nous prévoyons d’étendre notre modèle aux données de noyaux plus gros, à savoir ceux de l’oxygène et de l’argon, à l’appui des expériences prévues au Japon et aux États-Unis.”
L’article de l’équipe a été publié dans la revue Physical Review X.
