Les neutrinos « fantomatiques » ouvrent une nouvelle voie pour étudier les protons

Les neutrinos sont l’une des particules les plus abondantes de notre univers, mais ils sont notoirement difficiles à détecter et à étudier : ils n’ont pas de charge électrique et n’ont presque pas de masse. Elles sont souvent appelées « particules fantômes » car elles interagissent rarement avec les atomes.

Mais parce qu’ils sont si abondants, ils jouent un rôle important en aidant les scientifiques à répondre aux questions fondamentales sur l’univers.

Dans une recherche révolutionnaire décrite dans La nature—dirigés par des chercheurs de l’Université de Rochester—des scientifiques de la collaboration internationale MINERvA ont, pour la première fois, utilisé un faisceau de neutrinos au Fermi National Accelerator Laboratory, ou Fermilab, pour étudier la structure des protons.

MINERvA est une expérience pour étudier les neutrinos, et les chercheurs n’ont pas cherché à étudier les protons. Mais leur exploit, autrefois considéré comme impossible, offre aux scientifiques une nouvelle façon d’examiner les petits composants du noyau d’un atome.

« Pendant que nous étudions les neutrinos dans le cadre de l’expérience MINERvA, j’ai réalisé qu’une technique que j’utilisais pourrait être appliquée pour étudier les protons », explique Tejin Cai, le premier auteur de l’article. Cai, qui est maintenant associé de recherche postdoctoral à l’Université York, a mené la recherche en tant que titulaire d’un doctorat. étudiant de Kevin McFarland, professeur de physique du Dr Steven Chu à Rochester et membre clé du groupe Neutrino de l’université.

« Nous n’étions pas sûrs au début si cela fonctionnerait, mais nous avons finalement découvert que nous pouvions utiliser les neutrinos pour mesurer la taille et la forme des protons qui composent les noyaux des atomes. C’est comme utiliser une règle fantôme pour effectuer une mesure. »

Utiliser des faisceaux de particules pour mesurer les protons

Les atomes, ainsi que les protons et les neutrons qui composent le noyau d’un atome, sont si petits que les chercheurs ont du mal à les mesurer directement. Au lieu de cela, ils construisent une image de la forme et de la structure des composants d’un atome en bombardant les atomes avec un faisceau de particules à haute énergie. Ils mesurent ensuite à quelle distance et à quels angles les particules rebondissent sur les composants de l’atome.

Imaginez, par exemple, lancer des billes sur une boîte. Les billes rebondissaient sur la boîte à certains angles, vous permettant de déterminer où se trouvait la boîte – et de déterminer sa taille et sa forme – même si la boîte n’était pas visible pour vous.

« C’est une façon très indirecte de mesurer quelque chose, mais cela nous permet de relier la structure d’un objet – dans ce cas, un proton – au nombre de déviations que nous voyons sous différents angles », explique McFarland.

Que peuvent nous dire les faisceaux de neutrinos ?

Les chercheurs ont mesuré pour la première fois la taille des protons dans les années 1950, en utilisant un accélérateur avec des faisceaux d’électrons à l’installation d’accélérateur linéaire de l’Université de Stanford. Mais au lieu d’utiliser des faisceaux d’électrons accélérés, la nouvelle technique développée par Cai, McFarland et leurs collègues utilise des faisceaux de neutrinos.

Bien que la nouvelle technique ne produise pas une image plus nette que l’ancienne technique, dit McFarland, elle peut donner aux scientifiques de nouvelles informations sur la façon dont les neutrinos et les protons interagissent – des informations qu’ils ne peuvent actuellement déduire qu’à l’aide de calculs théoriques ou d’une combinaison de théorie et d’autres mesures.

En comparant la nouvelle technique avec l’ancienne, McFarland compare le processus à voir une fleur dans une lumière visible normale, puis à regarder la fleur sous une lumière ultraviolette.

« Vous regardez la même fleur, mais vous pouvez voir différentes structures sous différents types de lumière », explique McFarland. « Notre image n’est pas plus précise, mais la mesure des neutrinos nous donne une vue différente. »

Plus précisément, ils espèrent utiliser la technique pour séparer les effets liés à la diffusion des neutrinos sur les protons des effets liés à la diffusion des neutrinos sur les noyaux atomiques, qui sont des collections liées de protons et de neutrons.

« Nos méthodes précédentes pour prédire la diffusion des neutrinos par les protons utilisaient toutes des calculs théoriques, mais ce résultat mesure directement cette diffusion », explique Cai.

McFarland ajoute : « En utilisant notre nouvelle mesure pour améliorer notre compréhension de ces effets nucléaires, nous serons mieux en mesure d’effectuer de futures mesures des propriétés des neutrinos. »

Le défi technique de l’expérimentation des neutrinos

Les neutrinos sont créés lorsque les noyaux atomiques se rassemblent ou se séparent. Le soleil est une grande source de neutrinos, qui sont un sous-produit de la fusion nucléaire du soleil. Si vous vous tenez à la lumière du soleil, par exemple, des milliards de neutrinos traverseront votre corps sans danger chaque seconde.

Même si les neutrinos sont plus abondants dans l’univers que les électrons, il est plus difficile pour les scientifiques de les exploiter expérimentalement en grand nombre : les neutrinos traversent la matière comme des fantômes, tandis que les électrons interagissent beaucoup plus fréquemment avec la matière.

« Au cours d’une année, en moyenne, il n’y aurait qu’interactions entre un ou deux neutrinos sur les billions qui traversent votre corps chaque seconde », explique Cai. « Il y a un énorme défi technique dans nos expériences dans la mesure où nous devons obtenir suffisamment de protons à observer, et nous devons trouver comment obtenir suffisamment de neutrinos à travers ce grand assemblage de protons. »

Utilisation d’un détecteur de neutrinos

Les chercheurs ont résolu ce problème en partie en utilisant un détecteur de neutrinos contenant une cible d’atomes d’hydrogène et de carbone. En règle générale, les chercheurs n’utilisent que des atomes d’hydrogène dans des expériences pour mesurer les protons. Non seulement l’hydrogène est l’élément le plus abondant dans l’univers, mais c’est aussi le plus simple, car un atome d’hydrogène ne contient qu’un seul proton et un seul électron. Mais une cible d’hydrogène pur ne serait pas suffisamment dense pour que suffisamment de neutrinos interagissent avec les atomes.

« Nous effectuons un » truc chimique « , pour ainsi dire, en liant l’hydrogène dans des molécules d’hydrocarbures qui le rendent capable de détecter des particules subatomiques », explique McFarland.

Le groupe MINERvA a mené ses expériences à l’aide d’un accélérateur de particules à haute puissance et haute énergie, situé au Fermilab. L’accélérateur produit la source de neutrinos de haute énergie la plus puissante de la planète.

Les chercheurs ont frappé leur détecteur composé d’atomes d’hydrogène et de carbone avec le faisceau de neutrinos et ont enregistré des données pendant près de neuf ans de fonctionnement.

Pour isoler uniquement l’information des atomes d’hydrogène, les chercheurs ont alors dû soustraire le « bruit » de fond des atomes de carbone.

« L’hydrogène et le carbone sont chimiquement liés ensemble, de sorte que le détecteur voit les interactions sur les deux à la fois », explique Cai. « J’ai réalisé qu’une technique que j’utilisais pour étudier les interactions sur le carbone pouvait également être utilisée pour voir l’hydrogène tout seul une fois que vous avez soustrait les interactions avec le carbone. Une grande partie de notre travail consistait à soustraire le très grand bruit de fond de la diffusion des neutrinos sur les protons dans le noyau de carbone. »

Selon Deborah Harris, professeure à l’Université York et co-porte-parole de MINERvA, « Lorsque nous avons proposé MINERvA, nous n’aurions jamais pensé que nous serions capables d’extraire des mesures de l’hydrogène dans le détecteur. La réalisation de ce travail nécessitait d’excellentes performances de la part du détecteur. , des analyses créatives de la part de scientifiques et des années de fonctionnement » de l’accélérateur du Fermilab.

L’impossible devient possible

McFarland, lui aussi, a d’abord pensé qu’il serait presque impossible d’utiliser les neutrinos pour mesurer avec précision le signal des protons.

« Lorsque Tejin et notre collègue Arie Bodek (le professeur de physique George E. Pake à Rochester) ont suggéré pour la première fois d’essayer cette analyse, j’ai pensé que ce serait trop difficile », a déclaré McFarland. « Mais l’ancienne vision des protons a été explorée de manière très approfondie, nous avons donc décidé d’essayer cette technique pour obtenir une nouvelle vision – et cela a fonctionné. »

L’expertise collective des scientifiques de MINERvA et la collaboration au sein du groupe ont été essentielles à la réalisation de la recherche, explique Cai.

« Le résultat de l’analyse et les nouvelles techniques développées soulignent l’importance d’être créatif et collaboratif dans la compréhension des données », dit-il. « Bien que de nombreux composants de l’analyse existaient déjà, les assembler de la bonne manière a vraiment fait une différence, et cela ne peut se faire sans que des experts aux formations techniques différentes partagent leurs connaissances pour faire de l’expérience un succès. »

En plus de fournir plus d’informations sur la matière commune qui compose l’univers, la recherche est importante pour prédire les interactions des neutrinos pour d’autres expériences qui tentent de mesurer les propriétés des neutrinos. Ces expériences comprennent l’expérience Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), le détecteur de neutrinos Imaging Cosmic And Rare Underground Signals (ICARUS) et les expériences de neutrinos T2K dans lesquelles McFarland et son groupe sont impliqués.

« Nous avons besoin d’informations détaillées sur les protons pour répondre à des questions telles que les neutrinos qui ont plus de masse que les autres et s’il existe ou non des différences entre les neutrinos et leurs partenaires antimatière », explique Cai. « Notre travail est un pas en avant pour répondre aux questions fondamentales sur la physique des neutrinos qui sont l’objectif de ces grands projets scientifiques dans un avenir proche. »