Pendant près de neuf ans, l’expérience sur les neutrinos du réacteur de Daya Bay a capturé un nombre sans précédent de cinq millions et demi d’interactions à partir de particules subatomiques appelées neutrinos. Aujourd’hui, l’équipe internationale de physiciens de la collaboration Daya Bay a rapporté le premier résultat de l’ensemble de données complet de l’expérience – la mesure la plus précise à ce jour de thêta13, un paramètre clé pour comprendre comment les neutrinos changent de « saveur ». Le résultat, annoncé aujourd’hui lors de la conférence Neutrino 2022 à Séoul, en Corée du Sud, aidera les physiciens à explorer certains des plus grands mystères entourant la nature de la matière et de l’univers.
Les neutrinos sont des particules subatomiques qui sont à la fois insaisissables et extrêmement abondantes. Ils bombardent sans cesse chaque centimètre de la surface de la Terre à presque la vitesse de la lumière, mais interagissent rarement avec la matière. Ils peuvent parcourir une année-lumière de plomb sans jamais perturber un seul atome.
L’une des caractéristiques déterminantes de ces particules fantômes est leur capacité à osciller entre trois « saveurs » distinctes : le neutrino du muon, le neutrino du tau et le neutrino de l’électron. L’expérience sur les neutrinos du réacteur de Daya Bay a été conçue pour étudier les propriétés qui dictent la probabilité de ces oscillations, ou ce que l’on appelle les angles de mélange et les divisions de masse.
Un seul des trois angles de mélange restait inconnu au moment de la conception de Daya Bay en 2007 : thêta13. Ainsi, Daya Bay a été conçue pour mesurer theta13* avec une sensibilité plus élevée que toute autre expérience.
Opérant à Guangdong, en Chine, l’expérience sur les neutrinos du réacteur de Daya Bay consiste en de grands détecteurs de particules cylindriques immergés dans des bassins d’eau dans trois cavernes souterraines. Les huit détecteurs captent les signaux lumineux générés par les antineutrinos provenant des centrales nucléaires voisines. Les antineutrinos sont les antiparticules des neutrinos, et ils sont produits en abondance par les réacteurs nucléaires. Daya Bay a été construite grâce à un effort international et à un partenariat unique en son genre pour un projet de physique majeur entre la Chine et les États-Unis. L’Institut de physique des hautes énergies (IHEP) de l’Académie chinoise des sciences, basé à Pékin, dirige le rôle de la Chine dans la collaboration, tandis que le Laboratoire national Lawrence Berkeley du Département américain de l’énergie (DOE) et le Laboratoire national de Brookhaven co-dirigent la participation américaine.
Pour déterminer la valeur de thêta13, les scientifiques de Daya Bay ont détecté des neutrinos d’une saveur spécifique – dans ce cas, des antineutrinos électroniques – dans chacune des cavernes souterraines. Deux cavernes se trouvent à proximité des réacteurs nucléaires et la troisième caverne est plus éloignée, offrant une distance suffisante pour que les antineutrinos oscillent. En comparant le nombre d’antineutrinos électroniques captés par les détecteurs proches et lointains, les physiciens ont calculé combien ont changé de saveurs et, par conséquent, la valeur de thêta13.
Les physiciens de Daya Bay ont effectué la première mesure concluante au monde de thêta13 en 2012 et ont ensuite amélioré la précision de la mesure au fur et à mesure que l’expérience continuait à prendre des données. Maintenant, après neuf ans de fonctionnement et la fin de la collecte de données en décembre 2020, d’excellentes performances de détecteur et une analyse de données dédiée, Daya Bay a largement dépassé les attentes. En travaillant avec l’ensemble de données complet, les physiciens ont maintenant mesuré la valeur de thêta13 avec une précision deux fois et demie supérieure à l’objectif de conception de l’expérience. Aucune autre expérience existante ou planifiée ne devrait atteindre un niveau de précision aussi exquis.
« Nous avions plusieurs équipes d’analyse qui ont minutieusement examiné l’ensemble des données, en tenant soigneusement compte de l’évolution des performances du détecteur au cours des neuf années de fonctionnement », a déclaré le co-porte-parole de Daya Bay, Jun Cao de l’IHEP. « Les équipes ont profité du grand ensemble de données non seulement pour affiner la sélection des événements antineutrinos mais aussi pour améliorer la détermination des bruits de fond. Cet effort dévoué nous a permis d’atteindre un niveau de précision inégalé. »
La mesure de précision de thêta13 permettra aux physiciens de mesurer plus facilement d’autres paramètres de la physique des neutrinos, ainsi que de développer des modèles plus précis des particules subatomiques et de leur interaction.
En étudiant les propriétés et les interactions des antineutrinos, les physiciens pourraient mieux comprendre le déséquilibre de la matière et de l’antimatière dans l’univers. Les physiciens pensent que la matière et l’antimatière ont été créées en quantités égales au moment du Big Bang. Mais si tel était le cas, ces deux opposés auraient dû s’annihiler, ne laissant derrière eux que la lumière. Une certaine différence entre les deux a dû faire pencher la balance pour expliquer la prépondérance de la matière (et le manque d’antimatière) dans l’univers aujourd’hui.
« Nous nous attendons à ce qu’il y ait une différence entre les neutrinos et les antineutrinos », a déclaré le physicien de Berkeley et co-porte-parole de Daya Bay, Kam-Biu Luk. « Nous n’avons jamais détecté de différences entre les particules et les antiparticules pour les leptons, le type de particules qui comprend les neutrinos. Nous n’avons détecté de différences entre les particules et les antiparticules que pour les quarks. Mais les différences que nous voyons avec les quarks ne suffisent pas à expliquer pourquoi il y a plus de matière que d’antimatière dans l’univers. Il est possible que les neutrinos soient la preuve irréfutable. »
La dernière analyse de l’ensemble de données final de Daya Bay a également fourni aux physiciens une mesure précise de la division de masse. Cette propriété dicte la fréquence des oscillations des neutrinos.
« La mesure de la division de masse n’était pas l’un des objectifs de conception originaux de Daya Bay, mais elle est devenue accessible grâce à la valeur relativement élevée de thêta13 », a déclaré Luk. « Nous avons mesuré la division de masse à 2,3 % avec l’ensemble de données final de Daya Bay, une amélioration par rapport à la précision de 2,8 % de la mesure précédente de Daya Bay. »
À l’avenir, la collaboration internationale de Daya Bay prévoit de rapporter des résultats supplémentaires à partir de l’ensemble de données final, y compris des mises à jour des mesures précédentes.
Les expériences de nouvelle génération sur les neutrinos, telles que Expérience souterraine profonde sur les neutrinos (DUNE), exploitera les résultats de Daya Bay pour mesurer et comparer avec précision les propriétés des neutrinos et des antineutrinos. Actuellement en construction, DUNE fournira aux physiciens le faisceau de neutrinos le plus intense au monde, des détecteurs souterrains distants de 800 milles et la possibilité d’étudier le comportement des neutrinos comme jamais auparavant.
« En tant que l’un des nombreux objectifs de physique, DUNE s’attend à mesurer éventuellement theta13 presque aussi précisément que Daya Bay », a déclaré Elizabeth Worcester, physicienne expérimentale de Brookhaven et collaboratrice de Daya Bay. « C’est excitant parce que nous aurons alors des mesures thêta13 précises à partir de différents canaux d’oscillation, qui testeront rigoureusement le modèle à trois neutrinos. Jusqu’à ce que DUNE atteigne cette haute précision, nous pouvons utiliser la mesure thêta13 précise de Daya Bay comme contrainte pour permettre la recherche de différences entre les propriétés des neutrinos et des antineutrinos. »
Les scientifiques exploiteront également la grande valeur thêta13 et les neutrinos du réacteur pour déterminer lequel des trois neutrinos est le plus léger. « La mesure précise de thêta13 de Daya Bay améliore la sensibilité à l’ordre de masse du Observatoire souterrain de neutrinos de Jiangmen (JUNO), qui achèvera la construction en Chine l’année prochaine », a déclaré Yifang Wang, porte-parole de JUNO et directeur de l’IHEP. « De plus, JUNO atteindra une précision inférieure à un pourcentage sur la division de masse mesurée par Daya Bay dans plusieurs années.