De nouveaux résultats de l’expérience MicroBooNE au Fermi National Accelerator Laboratory du département américain de l’Énergie portent un coup dur à une particule théorique connue sous le nom de neutrino stérile. Pendant plus de deux décennies, ce quatrième neutrino proposé est resté une explication prometteuse des anomalies observées dans les expériences de physique antérieures. Trouver une nouvelle particule serait une découverte majeure et un changement radical dans notre compréhension de l’univers.
Cependant, quatre analyses complémentaires publiés par la collaboration internationale MicroBooNE et présentés lors d’un séminaire aujourd’hui montrent tous la même chose : aucun signe du neutrino stérile. Au lieu de cela, les résultats s’alignent sur le modèle standard de physique des particules, la meilleure théorie des scientifiques sur le fonctionnement de l’univers. Les données sont cohérentes avec ce que prédit le modèle standard : trois types de neutrinos, ni plus, ni moins.
L’expérience internationale MicroBooNE utilise un détecteur de 170 tonnes placé dans le faisceau de neutrinos du Laboratoire Fermi. L’expérience étudie les interactions des neutrinos et n’a trouvé aucun indice d’un quatrième neutrino théorisé appelé le neutrino stérile. Crédit : Reidar Hahn, Fermilab.
“MicroBooNE a fait une exploration très complète à travers de multiples types d’interactions et de multiples techniques d’analyse et de reconstruction”, a déclaré Bonnie Fleming, professeur de physique à Université de Yale et co-porte-parole de MicroBooNE. “Ils nous disent tous la même chose, et cela nous donne une très grande confiance dans nos résultats que nous ne voyons pas la moindre trace d’un neutrino stérile.”
MicroBooNE est un détecteur de neutrinos de 170 tonnes à peu près de la taille d’un bus scolaire qui fonctionne depuis 2015. L’expérience internationale compte près de 200 collaborateurs de 36 institutions dans cinq pays. Ils ont utilisé une technologie de pointe pour enregistrer des images 3D d’une précision spectaculaire des événements de neutrinos et examiner en détail les interactions des particules, une sonde indispensable dans le monde subatomique.
Les neutrinos sont l’une des particules fondamentales de la nature. Ils sont neutres, incroyablement minuscules et constituent la particule massive la plus abondante de notre univers, bien qu’ils interagissent rarement avec d’autres matières. Ils sont également particulièrement intrigants pour les physiciens, avec un certain nombre de questions sans réponse les entourant. Ces énigmes comprennent pourquoi leurs masses sont si petites et si elles sont responsables de la domination de la matière sur l’antimatière dans notre univers. Cela fait des neutrinos une fenêtre unique pour explorer le fonctionnement de l’univers aux plus petites échelles.
Les nouveaux résultats de MicroBooNE marquent un tournant passionnant dans la recherche sur les neutrinos. Les neutrinos stériles étant encore plus défavorisés comme explication des anomalies détectées dans les données sur les neutrinos, les scientifiques étudient d’autres possibilités. Ceux-ci incluent des choses aussi intrigantes que la lumière créée par d’autres processus lors des collisions de neutrinos ou aussi exotiques que la matière noire, une physique inexpliquée liée au boson de Higgs ou d’autres physiques au-delà du modèle standard.
Premiers indices de neutrinos stériles
Les neutrinos sont de trois types connus – le neutrino électronique, muonique et tau – et peuvent basculer entre ces saveurs d’une manière particulière au cours de leur voyage. Ce phénomène est appelé « oscillation des neutrinos ». Les scientifiques peuvent utiliser leur connaissance des oscillations pour prédire combien de neutrinos de toute nature ils s’attendent à voir lorsqu’ils les mesurent à différentes distances de leur source.
La technologie avancée d’argon liquide de MicroBooNE permet aux chercheurs de capturer des images détaillées des traces de particules. Cet événement de neutrinos électroniques montre une gerbe d’électrons et une trace de protons. Crédit : collaboration MicroBooNE
Les neutrinos sont produits par de nombreuses sources, dont le soleil, l’atmosphère, les réacteurs nucléaires et les accélérateurs de particules. À partir d’il y a environ deux décennies, les données de deux expériences de faisceaux de particules ont interpellé les chercheurs.
Dans les années 1990, l’expérience du détecteur de neutrinos à scintillateur liquide au laboratoire national de Los Alamos du DOE a vu plus d’interactions de particules que prévu. En 2002, l’expérience de suivi MiniBooNE au Fermilab a commencé à recueillir des données pour étudier plus en détail le résultat du LSND.
Les scientifiques de MiniBooNE ont également vu plus d’événements de particules que les calculs ne l’avaient prédit. Ces étranges résultats de faisceaux de neutrinos ont été suivis de rapports de neutrinos électroniques manquants provenant de sources radioactives et d’expériences de neutrinos de réacteur.
Les neutrinos stériles ont émergé comme un candidat populaire pour expliquer ces résultats étranges. Alors que les neutrinos sont déjà difficiles à détecter, le neutrino stérile proposé serait encore plus insaisissable, ne répondant qu’à la force de gravité. Mais comme les neutrinos oscillent entre les différents types, un neutrino stérile pourrait avoir un impact sur la façon dont les neutrinos oscillent, laissant sa signature dans les données.
Mais étudier les plus petites choses dans la nature n’est pas simple. Les scientifiques ne voient jamais directement les neutrinos ; au lieu de cela, ils voient les particules qui émergent lorsqu’un neutrino frappe un atome à l’intérieur d’un détecteur.
Le détecteur MiniBooNE avait une limitation particulière : il était incapable de faire la différence entre les électrons et les photons (particules de lumière) à proximité de l’endroit où le neutrino interagissait. Cette ambiguïté dépeint une image confuse des particules émergeant des collisions. Vous pouvez penser à cela comme à une boîte de chocolats – MiniBooNE pourrait vous dire qu’il contient une douzaine de morceaux, mais MicroBooNE pourrait vous dire lesquels ont des amandes et lesquels ont du caramel.
Si MiniBooNE voyait vraiment plus d’électrons que prévu, cela indiquerait des neutrinos électroniques supplémentaires provoquant les interactions. Cela signifierait que quelque chose d’inattendu se produisait dans les oscillations que les chercheurs n’avaient pas pris en compte : des neutrinos stériles. Mais si les photons étaient à l’origine de l’excès, il s’agirait probablement d’un processus d’arrière-plan plutôt que d’oscillations devenues folles et d’une nouvelle particule.
Il était clair que les chercheurs avaient besoin d’un détecteur plus nuancé. En 2007, l’idée de MicroBooNE est née.
MicroBooNE : détecteur de précision
Le détecteur MicroBooNE est construit sur des techniques et une technologie de pointe. Il utilise des capteurs de lumière spéciaux et plus de 8 000 fils minutieusement attachés pour capturer les traces de particules. Il est logé dans un conteneur cylindrique de 40 pieds de long rempli de 170 tonnes d’argon liquide pur. Les neutrinos heurtent le liquide dense et transparent, libérant des particules supplémentaires que l’électronique peut enregistrer. Les images résultantes montrent des chemins de particules détaillés et, surtout, distinguent les électrons des photons.
Les travailleurs installent un composant du détecteur de précision de MicroBooNE (appelé chambre à projection temporelle) dans le conteneur cylindrique, ou cryostat. Crédit : Reidar Hahn, Fermilab.
Les trois premières années de données de MicroBooNE ne montrent aucun excès d’électrons, mais elles ne montrent également aucun excès de photons provenant d’un processus d’arrière-plan qui pourrait indiquer une erreur dans les données de MiniBooNE.
“Nous ne voyons pas ce que nous aurions attendu d’un signal de type MiniBooNE, ni les électrons ni le plus probable des photons suspects”, a déclaré Sam Zeller, scientifique du Fermilab, qui a été co-porte-parole de MicroBooNE pendant huit ans. « Mais ces données antérieures de MiniBooNE ne mentent pas. Il se passe quelque chose de vraiment intéressant que nous devons encore expliquer.
MicroBooNE a exclu la source la plus probable de photons comme la cause des événements excessifs de MiniBooNE avec 95% confiance et exclu les électrons comme la seule source avec une confiance supérieure à 99%, et il y a plus à venir.
MicroBooNE a encore la moitié de ses données à analyser et encore plus de façons de les analyser. La granularité du détecteur permet aux chercheurs d’examiner des types particuliers d’interactions de particules. Alors que l’équipe a commencé par les causes les plus probables de l’excès de MiniBooNE, il existe des canaux supplémentaires à étudier, tels que l’apparition d’un électron et d’un positron, ou différents résultats qui incluent des photons.
« Pouvoir examiner en détail ces différents résultats d’événements est une véritable force de notre détecteur », a déclaré Zeller. “Les données nous éloignent des explications probables et pointent vers quelque chose de plus complexe et intéressant, ce qui est vraiment excitant.”
Alors que les premières analyses pesaient sur le neutrino stérile, des analyses supplémentaires pourraient fournir plus d’informations sur les explications exotiques, notamment la matière noire, les particules de type axion, l’hypothétique boson Z-prime et au-delà. Il y a même une chance qu’il s’agisse encore d’un neutrino stérile, se cachant de manière encore plus inattendue.
Exploration future des neutrinos
Les neutrinos sont entourés de mystères. Les données anormales vues par les précédentes expériences MiniBooNE et LSND ont encore besoin d’une explication. Il en va de même du phénomène même d’oscillation des neutrinos et du fait que les neutrinos ont une masse, ce qui n’est pas prédit par le modèle standard. Il existe également des indices alléchants selon lesquels les neutrinos pourraient aider à expliquer pourquoi il y a tant de matière dans l’univers, par opposition à un univers rempli d’antimatière ou de rien du tout.
L’équipe insère la chambre de projection temporelle dans le cryostat MicroBooNE. Crédit : Reidar Hahn, Fermilab
MicroBooNE fait partie d’une série d’expériences sur les neutrinos à la recherche de réponses. Il s’agit également d’un banc d’essai de longue durée pour la technologie de l’argon liquide qui sera utilisée dans les prochains détecteurs.
« Nous avons construit et testé le matériel, et nous avons également développé l’infrastructure pour traiter notre énorme ensemble de données », a déclaré Justin Evans, scientifique à l’Université de Manchester et co-porte-parole de MicroBooNE. « Cela inclut les simulations, les étalonnages, les algorithmes de reconstruction, les stratégies d’analyse et l’automatisation grâce à des techniques telles que l’apprentissage automatique. Ce travail de base est essentiel pour les futures expériences.
L’argon liquide est le matériau de choix pour le détecteur ICARUS qui va bientôt commencer à collecter des données de physique et le détecteur proche à base courte sera mis en ligne en 2023. Avec MicroBooNE, les trois expériences forment le programme de neutrinos à base courte au Laboratoire Fermi et produiront un riche en données sur les neutrinos. Par exemple, en un mois, SBND enregistrera plus de données que MicroBooNE n’en a collecté en deux ans. Les résultats d’aujourd’hui de MicroBooNE aideront à orienter certaines des recherches dans le vaste portefeuille du trio.
“Chaque fois que nous regardons les neutrinos, nous semblons trouver quelque chose de nouveau ou d’inattendu”, a déclaré Evans. « Les résultats de MicroBooNE nous emmènent dans une nouvelle direction, et notre programme neutrinos va aller au fond de certains de ces mystères. »
L’argon liquide sera également utilisé dans le Deep Underground Neutrino Experiment, une expérience internationale phare hébergée par Fermilab qui compte déjà plus de 1 000 chercheurs de plus de 30 pays. DUNE étudiera les oscillations en envoyant des neutrinos à 800 milles (1 300 km) à travers la terre aux détecteurs de l’installation de recherche souterraine de Sanford, à une profondeur d’un mille. La combinaison d’expériences sur les neutrinos à courte et à longue distance donnera aux chercheurs un aperçu du fonctionnement de ces particules fondamentales.
“Nous avons de grandes questions sans réponse en physique que de nombreuses expériences tentent de résoudre”, a déclaré Fleming. « Et les neutrinos peuvent nous dire où trouver certaines de ces réponses. Je pense que si vous voulez comprendre comment fonctionne l’univers, vous devez comprendre les neutrinos.
Les références:
« Recherche de courant neutre induit par les neutrinos Δ Décroissance radiative dans MicroBooNE et premier test de l’excès de faible énergie MiniBooNE sous une hypothèse à photon unique » par la collaboration MicroBooNE : P. Abratenko, R. An, J. Anthony, L. Arellano, J. Asaadi, A. Ashkenazi, S. Balasubramanian, B. Baller, C. Barnes, G. Barr, V. Basque, L. Bathe-Peters, O. Benevides Rodrigues, S. Berkman, A. Bhanderi, A. Bhat , M. Bishai, A. Blake, T. Bolton, JY Book, L. Camilleri, D. Caratelli, I. Caro Terrazas, R. Castillo Fernandez, F. Cavanna, G. Cerati, Y. Chen, D. Cianci, JM Conrad, M. Convery, L. Cooper-Troendle, JI Crespo-Anadon, M. Del Tutto, SR Dennis, P. Detje, A. Devitt, R. Diurba, R. Dorrill, K. Duffy, S. Dytman, B. Eberly, A. Ereditato, JJ Evans, R. Fine, GA Fiorentini Aguirre, RS Fitzpatrick, BT Fleming, N. Foppiani, D. Franco, AP Furmanski, D. Garcia-Gamez, S. Gardiner, G. Ge, S. Gollapinni, O. Goodwin, E. Gramellini, P. Green, H. Greenlee, W. Gu, R. Guenette, P. Guzowski, L. Hagaman, O. Hen, C. Hilgenberg, GA Horton-Smith, A. Hourlier, R. Itay, C. James, X. Ji, L. Jiang, JH Jo, RA Johnson, YJ Jwa, D. Kalra, N. Kamp, N. Kaneshige, G. Karagiorgi, W. Ketchum, M. Kirby, T. Kobilarcik, I. Kreslo, R. LaZur, I. Lepetic, K. Li, Y. Li, K. Lin, BR Littlejohn, WC Louis, X. Luo, K. Manivannan, C. Mariani, D. Marsden, J. Marshall, DA Martinez Caicedo, K. Mason, A. Mastbaum, N. McConkey, V. Meddage, T. Mettler, K. Miller, J. Mills, K. Mistry, T. Mohayai, A. Mogan, J. Moon, M. Mooney, AF Moor, CD Moore, L. Mora Lepin, J Mousseau, M. Murphy, D. Naples, A. Navrer-Agasson, M. Nebot-Guinot, RK Neely, DA Newmark, J. Nowak, M. Nunes, O. Palamara, V. Paolone, A. Papadopoulou, V Papavassiliou, SF Pate, N. Patel, A. Paudel, Z. Pavlovic, E. Piasetzky, I. Ponce-Pinto, S. Prince, X. Qian, JL Raaf, V. Radeka, A. Rafique, M. Reggiani -Guzzo, L. Ren, LCJ Rice, L. Rochester, J. Rodriguez Rondon, M. Rosenberg, M. Ross-Lonergan, G. Scanavini, DW Schmi tz, A. Schukraft, W. Seligman, MH Shaevitz, R. Sharankova, J. Shi, J. Sinclair, A. Smith, EL Snider, M. Soderberg, S. Soldner-Rembold, P. Spentzouris, J. Spitz, M. Stancari, J. St. John, T. Strauss, K. Sutton, S. Sword-Fehlberg, AM Szelc, W. Tang, K. Terao, C.Thorpe, D. Totani, M. Toups, Y.- T. Tsai, MA Uchida, T. Usher, W. Van De Pontseele, B. Viren, M. Weber, H. Wei, Z. Williams, S. Wolbers, T. Wongjirad, M. Wospakrik, K. Wresilo, N. Wright , W. Wu, E. Yandel, T. Yang, G. Yarbrough, LE Yates, HW Yu, GP Zeller, J. Zennamo et C. Zhang, soumis, Lettres d’examen physique.
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“Rechercher un excès anormal d’interactions à courant chargé sans pions dans l’état final avec l’expérience MicroBooNE” par la collaboration MicroBooNE, Soumis, Examen physique D.
arXiv : 2110.14065
« Recherche d’un excès anormal d’interactions inclusives à courant chargé dans l’expérience MicroBooNE à l’aide de la reconstruction Wire-Cell » par la collaboration MicroBooNE, soumis, Examen physique D.
arXiv : 2110.13978
