Première détection d'un accélérateur de particules

Pour la première fois, des neutrinos produits à partir de réactions nucléaires déclenchées par le Grand collisionneur de hadrons ont été détectés. Bien que les physiciens soient sûrs que les réactions qui se produisent lorsque des particules sont accélérées jusqu'à une vitesse proche de la vitesse de la lumière et s'écrasent ensemble produisent des neutrinos, en capturer la preuve a été une autre affaire. Cette réalisation pourrait aider les physiciens des particules à résoudre certaines des grandes inconnues du comportement des particules subatomiques.

Dans les années 1930, les physiciens ont remarqué que les produits de nombreuses réactions nucléaires semblaient transporter moins d’énergie que les particules qui précédaient la réaction. Cela viole la loi de conservation de l’énergie, et l’explication évidente était qu’il nous manquait des produits supplémentaires. De telles particules, appelées neutrinos, devraient être très légères – on a longtemps pensé qu’elles n’avaient pas de masse – et n’interagir que très faiblement avec des objets plus familiers. Sinon, nous les aurions trouvés plus faciles à repérer.

Malgré un certain mépris à l'égard de l'idée d'objets indétectables inventés uniquement pour résoudre un problème, il a été confirmé que les neutrinos provenaient d'un réacteur nucléaire en 1956, découverte qui a remporté le prix Nobel. Depuis, on a découvert qu'ils provenaient du Soleil, d'interactions entre les rayons cosmiques et la haute atmosphère et d'événements astronomiques à haute énergie tels que les supernovas.

« Chaque nouvelle source apporte de nouvelles connaissances, avec des implications importantes dans de nombreux domaines, de la physique des particules à la géophysique en passant par l'astrophysique et la cosmologie », écrit la collaboration Forward Search Experiment (FASER). Les chercheurs ont même identifié trois types, appelés arômes. Bien que des milliers de milliards traversent votre corps chaque seconde, il faut de vastes réservoirs d'eau enfouis sous terre pour voir les traces créées par la infime proportion qui produit ou altère d'autres particules lors de leur passage.

Les nombres produits dans des machines comme le Grand collisionneur de hadrons du CERN ne représentent naturellement qu'une infime fraction de ceux d'origine astronomique, ce qui rend la tâche de les trouver d'autant plus difficile. Néanmoins, cela est désormais réalisé par deux équipes indépendantes.

"Les neutrinos sont produits en très grande quantité dans les collisionneurs de protons tels que le LHC", a déclaré Cristovao Vilela de la collaboration SND@LHC à Phys.org. "Cependant, jusqu'à présent, ces neutrinos n'avaient jamais été observés directement. La très faible interaction des neutrinos avec d'autres particules rend leur détection très difficile et, de ce fait, ce sont les particules les moins bien étudiées dans le modèle standard de la physique des particules."

En effet, les neutrinos sont les seules particules du modèle standard, dont l'existence est donc confirmée, qui n'ont pas été détectées par les collisionneurs de particules.

Les deux équipes ont adopté des approches différentes pour capturer les neutrinos. La collaboration FASER a placé son détecteur le long de la ligne de faisceau, de sorte que les neutrinos de plus haute énergie, ceux qui poursuivent un chemin similaire vers les particules, la traversent. Bien qu’ils soient encore difficiles à observer, les neutrinos de haute énergie sont plus susceptibles d’interagir avec d’autres matières qu’avec ceux de plus faible énergie.

Le détecteur FASER se compose de 730 feuilles de tungstène, chacune de 1,1 mm (0,044 pouces) d'épaisseur, séparées par des films d'émulsion. L’équipe a été récompensée par 153 détections au-dessus du niveau de fond, avec des énergies de plus de 200 milliards d’électrons-volts sur cinq mois d’observations.

SND@LHC, quant à lui, a placé son détecteur de côté et n’a observé que huit événements candidats. Les deux équipes ont protégé leurs détecteurs avec une centaine de mètres de roche et de béton, bloquant la plupart des autres particules produites lors de la réaction. Les neutrinos, avec leur faible chance d’interagir avec toute cette masse, sont passés indemnes. Néanmoins, Viela a expliqué cela pour chaque neutrino. le détecteur SND@LHC a capté des dizaines de millions de muons qui ont déclenché des signaux très similaires.

Les histoires d'aiguilles dans les meules de foin ne rendent pas justice à la tentative de distinguer les interactions des neutrinos de celles provoquées par les muons.

La découverte a été annoncée dans deux articles dans Physical Review Letters par FASER et SND@LHC.