Les physiciens qui étudient les particules fantômes appelées neutrinos de la collaboration internationale MicroBooNE ont rapporté une mesure unique en son genre : un ensemble complet de sections efficaces d’interaction neutrino-argon dépendantes de l’énergie. Cette mesure marque une étape importante vers la réalisation des objectifs scientifiques de la prochaine génération d’expériences sur les neutrinos, à savoir l’expérience Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE).
Les neutrinos sont de minuscules particules subatomiques qui sont à la fois insaisissables et extrêmement abondantes. Alors qu’ils bombardent sans cesse chaque centimètre de la surface de la Terre à une vitesse proche de celle de la lumière, les neutrinos peuvent parcourir une année-lumière de plomb sans jamais perturber un seul atome. Comprendre ces particules mystérieuses pourrait révéler certains des plus grands secrets de l’univers.
L’expérience MicroBooNE, située au Fermi National Accelerator Laboratory du Département américain de l’énergie (DOE), collecte des données sur les neutrinos depuis 2015, en partie comme banc d’essai pour DUNE, qui est actuellement en construction. Pour identifier les neutrinos insaisissables, les deux expériences utilisent une chambre de projection temporelle à argon liquide à faible bruit (LArTPC), un détecteur sophistiqué qui capture les signaux des neutrinos lorsque les particules traversent de l’argon liquide glacial maintenu à -303 degrés Fahrenheit. Les physiciens de MicroBooNE ont affiné les techniques LArTPC pour les détecteurs à grande échelle à DUNE.
Maintenant, un effort d’équipe dirigé par des scientifiques du Laboratoire national de Brookhaven du DOE, en collaboration avec des chercheurs de l’Université de Yale et de l’Université d’État de Louisiane, a encore affiné ces techniques en mesurant la section efficace neutrino-argon. Leurs travaux publiés aujourd’hui dans Lettres d’examen physique.
« La section efficace neutrino-argon représente la façon dont les noyaux d’argon réagissent à un neutrino incident, comme ceux du faisceau de neutrinos produit par MicroBooNE ou DUNE », a déclaré Xin Qian, physicien du Brookhaven Lab, responsable du groupe de physique MicroBooNE de Brookhaven. « Notre objectif ultime est d’étudier les propriétés des neutrinos, mais nous devons d’abord mieux comprendre comment les neutrinos interagissent avec le matériau d’un détecteur, comme les atomes d’argon. »
L’une des propriétés les plus importantes des neutrinos que DUNE étudiera est la manière dont les particules oscillent entre trois « saveurs » distinctes : le neutrino du muon, le neutrino du tau et le neutrino de l’électron. Les scientifiques savent que ces oscillations dépendent de l’énergie des neutrinos, entre autres paramètres, mais cette énergie est très difficile à estimer. Non seulement les interactions des neutrinos sont extrêmement complexes par nature, mais il y a aussi une grande propagation d’énergie dans chaque faisceau de neutrinos. La détermination des sections efficaces détaillées dépendant de l’énergie fournit aux physiciens une information essentielle pour étudier les oscillations des neutrinos.
« Une fois que nous connaissons la section efficace, nous pouvons inverser le calcul pour déterminer l’énergie, la saveur et les propriétés d’oscillation moyennes des neutrinos à partir d’un grand nombre d’interactions », a déclaré Wenqiang Gu, postdoc au Brookhaven Lab, qui a dirigé l’analyse physique.
Pour ce faire, l’équipe a développé une nouvelle technique pour extraire la section efficace détaillée dépendante de l’énergie.
« Les techniques précédentes mesuraient la section transversale en fonction de variables faciles à reconstruire », a déclaré London Cooper-Troendle, un étudiant diplômé de l’Université de Yale qui est en poste au laboratoire de Brookhaven dans le cadre du programme de recherche pour étudiants diplômés du DOE. « Par exemple, si vous étudiez un neutrino muonique, vous voyez généralement un muon chargé sortir de l’interaction des particules, et ce muon chargé a des propriétés bien définies comme son angle et son énergie. Ainsi, on peut mesurer la section efficace comme un fonction de l’angle ou de l’énergie du muon. Mais sans un modèle capable de rendre compte avec précision de « l’énergie manquante », un terme que nous utilisons pour décrire l’énergie supplémentaire dans les interactions des neutrinos qui ne peut pas être attribuée aux variables reconstruites, cette technique nécessiterait des expériences agir avec prudence. »
L’équipe de recherche dirigée par Brookhaven a cherché à valider le processus de reconstruction de l’énergie des neutrinos avec une précision sans précédent, en améliorant la modélisation théorique des interactions des neutrinos selon les besoins de DUNE. Pour ce faire, l’équipe a appliqué son expertise et les enseignements tirés des travaux antérieurs sur l’expérience MicroBooNE, tels que leurs efforts pour reconstruire les interactions avec différentes saveurs de neutrinos.
« Nous avons ajouté une nouvelle contrainte pour améliorer considérablement la modélisation mathématique de la reconstruction de l’énergie des neutrinos », a déclaré Hanyu Wei, professeur adjoint à la Louisiana State University, auparavant boursier Goldhaber à Brookhaven.
L’équipe a validé ce modèle nouvellement contraint par rapport à des données expérimentales pour produire la première mesure détaillée de la section efficace neutrino-argon dépendante de l’énergie.
« Les résultats de la section efficace neutrino-argon de cette analyse sont capables de faire la distinction entre différents modèles théoriques pour la première fois », a déclaré Gu.
Alors que les physiciens s’attendent à ce que DUNE produise des mesures améliorées de la section efficace, les méthodes développées par la collaboration MicroBooNE fournissent une base pour les analyses futures. La mesure actuelle de la section efficace est déjà définie pour guider les développements supplémentaires sur les modèles théoriques.
En attendant, l’équipe MicroBooNE se concentrera sur l’amélioration de sa mesure de la section efficace. La mesure actuelle a été effectuée dans une dimension, mais les recherches futures aborderont la valeur dans plusieurs dimensions, c’est-à-dire en fonction de plusieurs variables, et exploreront davantage de voies de physique sous-jacente.
P. Abratenko et al, Première mesure des sections efficaces de courant chargé de neutrinos muoniques inclusif dépendant de l’énergie sur l’argon avec le détecteur MicroBooNE, Lettres d’examen physique (2022). DOI : 10.1103/PhysRevLett.128.151801