La première observation de neutrinos au Grand collisionneur de hadrons du CERN

Les neutrinos sont de minuscules particules chargées de manière neutre, représentées par le modèle standard de la physique des particules. Bien qu’on estime qu’elles comptent parmi les particules les plus abondantes dans l’univers, leur observation s’est jusqu’à présent avérée très difficile, car la probabilité qu’elles interagissent avec d’autres matières est faible.

Pour détecter ces particules, les physiciens utilisent des détecteurs et des équipements avancés pour examiner les sources connues de neutrinos. Leurs efforts ont finalement abouti à l’observation de neutrinos provenant du soleil, des rayons cosmiques, des supernovae et d’autres objets cosmiques, ainsi que des accélérateurs de particules et des réacteurs nucléaires.

Un objectif de longue date dans ce domaine d’étude était d’observer les neutrinos à l’intérieur de collisionneurs, des accélérateurs de particules dans lesquels deux faisceaux de particules entrent en collision. Deux grandes collaborations de recherche, à savoir FASER (Forward Search Experiment) et SND (Scattering and Neutrino Detector)@LHC, ont observé ces neutrinos dans un collisionneur pour la toute première fois, à l’aide de détecteurs situés au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN en Suisse. Les résultats de leurs deux études ont été récemment publiés dans Lettres d’examen physique.

« Les neutrinos sont produits en très grande quantité dans les collisionneurs de protons tels que le LHC », a déclaré Cristovao Vilela, membre 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. »

La collaboration FASER et SND@LHC sont deux efforts de recherche distincts, tous deux utilisant le LHC du CERN. Récemment, ces deux efforts ont observé indépendamment les premiers neutrinos du collisionneur, ce qui pourrait ouvrir de nouvelles voies importantes pour la recherche expérimentale en physique des particules.

La collaboration FASER est un vaste effort de recherche établi dans le but d’observer la lumière et les particules à faible interaction. FASER a été le premier groupe de recherche à observer les neutrinos au LHC, à l’aide du détecteur FASER, situé à plus de 400 m de la célèbre expérience ATLAS, dans un tunnel séparé. FASER (et SND@LHC) observent les neutrinos produits dans la même « région d’interaction » à l’intérieur du LHC qu’ATLAS.

« Les collisionneurs de particules existent depuis plus de 50 ans et ont détecté toutes les particules connues à l’exception des neutrinos », a déclaré Jonathan Lee Feng, co-porte-parole de la collaboration FASER, à Phys.org. « En même temps, chaque fois que des neutrinos ont été découverts à partir d’une nouvelle source, qu’il s’agisse d’un réacteur nucléaire, du Soleil, de la Terre ou de supernovae, nous avons appris quelque chose d’extrêmement important sur l’univers. Dans le cadre de nos récents travaux, nous avons décidé de détecter pour la première fois les neutrinos produits dans un collisionneur de particules.

La collaboration FASER a observé les neutrinos des collisionneurs en plaçant leur détecteur le long de la ligne de faisceau, en suivant leurs trajectoires. On sait que les neutrinos de haute énergie sont principalement produits sur ce site, mais d’autres détecteurs du LHC ont des angles morts dans cette direction et n’ont donc pas pu les observer dans le passé.

« Comme ces neutrinos ont des flux et des énergies élevés, ce qui les rend beaucoup plus susceptibles d’interagir, nous avons pu en détecter 153 avec un très petit détecteur peu coûteux, construit en très peu de temps », a expliqué Feng. « Auparavant, on pensait que la physique des particules était divisée en deux parties : les expériences à haute énergie, nécessaires à l’étude des particules lourdes, comme les quarks top et les bosons de Higgs, et les expériences à haute intensité, nécessaires à l’étude des neutrinos. Ces travaux ont montré que les expériences à haute énergie peuvent également étudier les neutrinos, ce qui a permis de rapprocher les frontières des hautes énergies et des hautes intensités. »

Les neutrinos détectés par Feng et le reste de la collaboration FASER ont l’énergie la plus élevée jamais enregistrée dans un environnement de laboratoire. Ils pourraient ainsi ouvrir la voie à des études approfondies sur les propriétés des neutrinos, ainsi qu’à la recherche d’autres particules insaisissables.

Peu de temps après que FASER a signalé la première observation de neutrinos dans un collisionneur, la collaboration SND@LHC a finalisé son analyse, avec huit événements supplémentaires dans le LHC impliquant des neutrinos. L’expérience SND@LHC a été spécifiquement créée pour détecter les neutrinos, à l’aide d’un détecteur de deux mètres de long, stratégiquement placé sur un site du LHC où le flux de neutrinos est élevé, mais protégé des débris de collision de protons par environ 100 mètres de béton. et du rock.

« Même avec son positionnement stratégique, les muons les plus énergétiques produits lors des collisions atteignent notre détecteur à une vitesse des dizaines de millions de fois supérieure aux interactions des neutrinos », a expliqué Vilela. « Ces muons génèrent des hadrons neutres dans leurs interactions avec le matériau entourant notre expérience, qui à leur tour produisent dans le détecteur des signaux similaires à ceux des neutrinos. Surmonter ce bruit de fond a été le plus grand défi de l’analyse, qui a utilisé le modèle distinctif d’une trace de muon associée à une gerbe hadronique et aucune particule chargée n’entrant dans le détecteur pour identifier les interactions neutrinos.

Dans le cadre de leur récente étude, la collaboration SND@LHC a analysé les données collectées par leur détecteur entre juillet et novembre 2022, qui était son premier cycle de fonctionnement. Cette première collecte de données s’est avérée très réussie, puisque l’équipe a finalement enregistré 95 % des données de collision qui lui ont été fournies et a finalement observé les événements de neutrinos du collisionneur.

« L’observation des neutrinos dans un collisionneur ouvre la porte à de nouvelles mesures qui nous aideront à comprendre certaines des énigmes les plus fondamentales du modèle standard de la physique des particules, comme la raison pour laquelle il existe trois générations de particules de matière (fermions) qui semblent être des copies exactes. les uns des autres sous tous les aspects, à l’exception de leur masse », a déclaré Vilela. « De plus, notre détecteur est placé dans un endroit qui constitue un angle mort pour les grandes expériences du LHC. De ce fait, nos mesures contribueront également à une meilleure compréhension de la structure des protons en collision. »

Ces études récentes menées par les collaborations FASER et SND@LHC contribuent de manière significative aux recherches expérimentales en cours en physique des particules et pourraient bientôt ouvrir la voie à de nouvelles avancées dans ce domaine. Maintenant que la présence de neutrinos au LHC a été confirmée, ces deux expériences vont continuer à collecter des données, conduisant potentiellement à des observations plus significatives.

« Nous utiliserons le détecteur FASER pendant encore de nombreuses années et espérons collecter au moins 10 fois plus de données », a ajouté Feng. « Un fait particulièrement intéressant est que cette première découverte n’a utilisé qu’une partie du détecteur. Dans les années à venir, nous serons en mesure d’utiliser toute la puissance du FASER pour cartographier ces interactions de neutrinos de haute énergie avec des détails exquis. De plus, nous sommes travaillant sur le Forward Physics Facility, une proposition visant à construire une nouvelle caverne souterraine au LHC, qui nous permettra de détecter des millions de neutrinos de haute énergie, ainsi que de rechercher des particules milli-chargées et d’autres phénomènes associés à la matière noire.

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