Des physiciens détectent les neutrinos pour la première fois à l’aide du grand collisionneur de hadrons

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Cette détection représente une “percée significative” et prouve la valeur d’une expérience à venir.


FASERν au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN est conçu pour détecter directement pour la première fois les neutrinos du collisionneur et étudier leurs sections efficaces à des énergies TeV, où de telles mesures n’existent pas actuellement. En 2018, un détecteur pilote utilisant des films d’émulsion a été installé dans la région éloignée d’ATLAS, à 480 m du point d’interaction, et a collecté 12.2fb1 de données de collision proton-proton à une énergie de centre de masse de 13 TeV. Dans une nouvelle publication, les physiciens décrivent l’analyse de ces données d’essai pilote et l’observation des premiers candidats à l’interaction des neutrinos au LHC. Ce jalon ouvre la voie à des mesures de neutrinos à haute énergie dans les collisionneurs actuels et futurs.

L’expérience FASER dans le Grand collisionneur de hadrons du CERN en Suisse. Photo: ©  CERN.

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La semaine dernière, une équipe de physiciens travaillant dans le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN a annoncé la première détection par l’installation de neutrinos, qui sont parmi les particules les plus petites et les plus faiblement interagissant à ce jour. Les neutrinos sont fondamentalement omniprésents dans l’univers, mais ce n’est que dans les bonnes conditions qu’ils interagissent avec la matière ordinaire. Des milliards de neutrinos traversent votre corps pendant que vous lisez cette phrase. Mais pour réellement «voir» les particules, les physiciens doivent construire des détecteurs massifs dans des conditions extrêmement isolées.

Des détecteurs de neutrinos ont été enterrés dans de la glace à des kilomètres de profondeur ou immergés dans le lac le plus profond du monde, par exemple. Mais la récente détection – publiée dans Physical Review D la semaine dernière – renverse ce script, car c’est le premier à sortir d’un collisionneur. “Avant ce projet, aucun signe de neutrinos n’avait jamais été observé dans un collisionneur de particules”, a déclaré le co-auteur de l’étude Jonathan Feng, physicien à l’Université de Californie-Irvine et co-responsable de la collaboration qui a géré l’expérience, dans un communiqué de presse. “Cette percée significative est une étape vers le développement d’une compréhension plus profonde de ces particules insaisissables et du rôle qu’elles jouent dans l’univers”.

Les particules ont été détectées par un essai pilote d’un détecteur d’émulsion appelé FASER, une expérience de physique des particules au Grand collisionneur de hadrons. Les détecteurs d’émulsion sont un moyen de rechercher de très petites particules, comme la substance inconnue qui constitue la matière noire. “Il s’avère que les neutrinos les plus énergétiques sont produits le long de la ligne de lumière”, a déclaré Feng à Gizmodo dans un e-mail. “Ces neutrinos sont les plus susceptibles d’interagir, et donc en plaçant FASER le long de la ligne de lumière, nous avons pu en capturer quelques-uns, même si FASER est un très petit détecteur”.

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Le détecteur pilote FASER était constitué de plaques de plomb et de tungstène (respectivement 101 et 120), chacune contenant un nombre correspondant de films d’émulsion. Les neutrinos produits par les réactions du Grand collisionneur de hadrons. s’écrasent sur les noyaux de métaux lourds de FASER, laissant des traces de leur présence sur les couches d’émulsion. Feng a déclaré que l’avenir de l’expérience est «définitivement optimiste» et que le succès de FASER montre que l’équipe est sur la bonne voie. “Dans de nombreux domaines scientifiques, la première expérience détecte quelques particules, une deuxième expérience en détecte quelques autres et une troisième en détecte suffisamment pour effectuer des mesures précises”, a déclaré Feng. “Ce que signifie ce résultat, c’est que nous prévoyons de franchir les trois étapes en succession rapide au cours des prochaines années. D’ici 2024, nous devrions avoir détecté 10 000 neutrinos au LHC, et ce sera passionnant de voir ce qu’ils nous disent”.

FASER est un précurseur de FASERnu, une expérience planifiée qui sera plus réactive et perspicace que le pilote actuel. Outre l’étude des interactions des neutrinos de haute énergie, FASERnu est également conçu pour rechercher de nouvelles particules élémentaires faiblement couplées et des candidats à la matière noire comme les photons noirs. “Compte tenu de la puissance de notre nouveau détecteur et de son emplacement privilégié au CERN, nous espérons pouvoir enregistrer plus de 10 000 interactions de neutrinos dans le prochain cycle du LHC, à partir de 2022”, a déclaré David Casper, également physicien à l’UC- Irvine, co-responsable de FASER et co-auteur du nouvel article, dans le même communiqué. “Nous détecterons les neutrinos les plus énergétiques qui aient jamais été produits à partir d’une source artificielle”.

FASERnu est installé au Grand collisionneur de hadrons cette année et commencera sa collecte de données l’année prochaine, coïncidant avec la troisième exécution du collisionneur. FASERnu inclura également des données sur le type de neutrinos qu’il détecte ainsi que sur leurs saveurs. D’ici 2024, de nombreuses particules extrêmement petites et de nouveaux détails sur leur identité seront documentés.

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Henso Abreu et al. (FASER Collaboration). “First neutrino interaction candidates at the LHC”. Phys. Rev. D 104, L091101 – Published 24 November 2021. DOI: 10.1103/PhysRevD.104.L091101

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