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Posté par Redbran le Mardi 01/03/2016 à 12:00
Les neutrinos au cœur de la matière nucléaire
Pour mesurer les oscillations de neutrinos, l'expérience T2K, utilisant le faisceau de neutrinos produit par l'accélérateur du laboratoire JPARC au Japon, compare les nombres de neutrinos muoniques et électroniques interagissant avec un détecteur proche de ceux interagissant avec un détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a...) lointain. Pour ce faire, il faut maîtriser précisément la probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités est un sujet de grande...) d'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée...), ou section efficace (Une section efficace est une grandeur physique correspondant à la probabilité d'interaction d'une particule pour une réaction donnée de la physique...), des neutrinos avec les nucléons (protons et neutrons) des noyaux constituant la cible des détecteurs. C'est ce que réalise le groupe T2K du SPP qui a mesuré la section efficace de la réaction (?? + n ? ?- + p+), mesure faite pour la première fois dans T2K en fonction de l'impulsion et de l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) du muon (Le muon est, selon le modèle standard de physique des particules, le nom donné à deux particules élémentaires de charge positive et négative. Les muons ont une masse 207 fois plus grande que celle de l'électron (105,6...). Ceci permet d'étudier précisément les "effets nucléaires", autrement dit le fait que le neutron (Le neutron est une particule subatomique. Comme son nom l'indique, le neutron est neutre et n'a donc pas de charge électrique (ni positive, ni négative). Les...) cible n'est pas libre mais lié au cœur de noyaux atomiques. Les résultats, en cours de publication dans Physics Review D, ouvrent la voie dans T2K à la mesure des effets nucléaires dans les interactions neutrinos/nucléons. Effets qui constituent aujourd'hui la source d'incertitude systématique (En sciences de la vie et en histoire naturelle, la systématique est la science qui a pour objet de dénombrer et de classer les taxons dans un certain ordre, basé sur des principes divers....) la plus importante pour les futures mesures d'oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à amplitude constante soit amorties. Elles répondent aux mêmes équations quel que soit le domaine.) de neutrinos.


Evénement enregistré dans le détecteur proche ND280 de T2K.

Les effets de la matière nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) dans les mesures d'oscillation

Pourquoi, après presque 50 ans d'étude des neutrinos, ne connaissons-nous pas encore assez précisément leur probabilité d'interaction avec la matière ? Dans les expériences actuelles, les neutrinos n'interagissent pas avec des nucléons isolés, comme dans l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) des anciennes chambres à bulles, mais avec des nucléons liés et immergés dans la matière nucléaire. Par conséquent, la section efficace d'interaction des neutrinos avec les nucléons est modifiée par la présence d'effets nucléaires. Un des effets les plus difficiles à quantifier et à modéliser est la probabilité qu'au cours d'une interaction des pions soient produits et réabsorbés par le noyau cible. La mesure a été faite pour la première fois en incluant ces événements. Un autre effet très important, qui n'a pas encore été mesuré précisément, est l'interaction du neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.) avec un couple de nucléons corrélés au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale...) du noyau. Cette interaction a été calculée par un chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont diversifiés et impliquent d'importantes...) du SPhN [1,2]. La mesure effectuée par l'équipe du SPP de la section efficace, en fonction à la fois de l'impulsion et de l'angle du lepton (Un lepton est une particule élémentaire qui n'est sensible qu'à l'interaction électrofaible et à la gravitation. Le terme lepton provient du mot grec signifiant « léger » et se réfère à la faible masse du premier lepton découvert,...) sortant (qu'on appelle donc section efficace doublement différentielle), a permis de comparer ce calcul avec les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.).


Schéma de l'expérience T2K au Japon.

La maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de « maître ». Il existe dans plusieurs pays et...) de ces effets est cruciale pour l'étude des oscillations de neutrinos qui s'appuie sur des mesures de sections efficaces. Par exemple, l'expérience T2K mesure l'oscillation des neutrinos en comparant le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de neutrinos du faisceau de JPARC interagissant avec le détecteur proche, ND280 situé tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) près de l'accélérateur, avec le nombre de ceux interagissant avec le détecteur lointain, Super-Kamiokande (L'expérience Super-Kamiokande, situé au Japon près de la ville de Mozumi, consiste en un immense cylindre de 40m de haut et 40m de diamètre rempli de plus...) situé à 295 km sur la côte opposée du Japon. Or la précision actuelle sur le modèle d'interaction des neutrinos avec les nucléons dans les noyaux n'est pas suffisante pour les mesures d'oscillation des futures expériences à très haute statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de...) (Hyper-Kamiokande, DUNE).

La mesure de section efficace avec le détecteur proche de T2K

Les neutrinos peuvent interagir avec les nucléons contenus dans la matière des détecteurs de différentes façons. La réaction la plus fréquente à l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) des neutrinos de T2K (~600 MeV) est celle dite de "courant chargé quasi-élastique", où le neutrino se transforme en lepton chargé et le neutron se transforme en proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.): ?? + n ? ?- + p+. C'est la section efficace de ce dernier processus que l'équipe T2K du SPP a mesurée dans le détecteur proche ND280 : ? = (0.417±0.005±0.047) 10-38 cm2/nucléon. Si l'énergie des neutrinos est plus élevée, d'autres particules sont créées en plus du muon et du proton, surtout des pions. Les interactions avec production de pions sont le bruit de fond (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une...) principal dans la mesure de section efficace et ils ont été éliminés conservant une haute efficacité sur le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des...) grâce aux très bonnes performances des Chambres à Projection (La projection cartographique est un ensemble de techniques permettant de représenter la surface de la Terre dans son ensemble ou en partie sur la surface plane...) Temporelle (TPCs) de ND280 qui ont été conçues, construites et mises en œuvre par une équipe conjointe SPP-SEDI.


Flux de neutrinos attendu en fonction de leur énergie (à gauche) et section efficace (à droite) mesurée par l'équipe T2K du SPP ('T2K Full') comparés à la simulation (en pointillés) et à d'autres mesures, dans T2K avec un sous-ensemble (En mathématiques, un ensemble A est un sous-ensemble ou une partie d’un ensemble B, ou encore B est sur-ensemble de A, si tout élément du sous-ensemble A est aussi élément du sur-ensemble B. Il peut par contre y...) des événements ('T2K Restricted') ou dans l'expérience MiniBooNE.

La mesure de section efficace avec le détecteur proche de T2K


Les neutrinos peuvent interagir avec les nucléons contenus dans la matière des détecteurs de différentes façons. La réaction la plus fréquente à l'énergie des neutrinos de T2K (~600 MeV) est celle dite de "courant chargé quasi-élastique", où le neutrino se transforme en lepton chargé et le neutron se transforme en proton: ?? + n ? ?- + p+. C'est la section efficace de ce dernier processus que l'équipe T2K du SPP a mesurée dans le détecteur proche ND280 : ? = (0.417±0.005±0.047) 10-38 cm2/nucléon. Si l'énergie des neutrinos est plus élevée, d'autres particules sont créées en plus du muon et du proton, surtout des pions. Les interactions avec production de pions sont le bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création...) de fond principal dans la mesure de section efficace et ils ont été éliminés conservant une haute efficacité sur le signal grâce aux très bonnes performances des Chambres à Projection Temporelle (TPCs) de ND280 qui ont été conçues, construites et mises en œuvre par une équipe conjointe SPP-SEDI.

Une fructueuse ligne de recherche

La mesure effectuée par l'équipe T2K du SPP est au cœur des actuels débats et études sur la précision des futures expériences d'oscillation. Il n'y a aucun modèle capable des décrire précisément tous les effets nucléaires et l'incertitude due à ces effets est estimée autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit...) de ~5-10% sur les mesures actuelles d'oscillations. Cette incertitude doit être améliorée d'un ordre de grandeur pour la prochaine génération d'expériences.

La mesure des paramètres d'oscillation dépend aussi directement de l'estimation de l'énergie des neutrinos et là aussi les effets nucléaires ne peuvent pas être négligés. Dans les détecteurs Tcherenkov à eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), comme Super-Kamiokande, seul le lepton chargé produit dans l'interaction ?? + n ? ?- + p+ est visible, alors que le proton sortant ne laisse aucun signal mesurable. L'énergie du neutrino doit donc être reconstruite à partir de la cinématique (En physique, la cinématique est la discipline de la mécanique qui étudie le mouvement des corps, en faisant abstraction des causes du...) du lepton. La connaissance des effets nucléaires est donc capitale (Une capitale (du latin caput, capitis, tête) est une ville où siègent les pouvoirs, ou une ville ayant une prééminence dans un domaine social, culturel, économique ou sportif, dans ce cas on parle aussi de...): par exemple, les interactions avec un couple de nucléons corrélés, modélisés par le chercheur du SPhN, induisent un large biais dans l'énergie reconstruite de neutrinos et donc dans la mesure de paramètres d'oscillation [3]. Pour mieux contrôler cet effet, l'équipe du SPP, en collaboration avec l'équipe T2K du laboratoire LPNHE, travaille maintenant sur la mesure de section efficace dans le détecteur proche ND280 en fonction de la cinématique du nucléon (Le terme nucléon désigne de façon générique les composants du noyau atomique, i.e. les protons et les neutrons qui sont tous deux des baryons. Le nombre de nucléons par atome est généralement noté...) sortant.

Enfin tous ces effets nucléaires changent selon les noyaux considérés. Le détecteur proche contient des noyaux de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) et de l'eau et le détecteur lointain est constitué d'eau. Donc pour améliorer la précision de la mesure d'oscillation, l'équipe du SPP, après avoir effectué la mesure de section efficace sur les noyaux de carbone de ND280, est déjà au travail, en collaboration avec une équipe du LLR, pour compléter la mesure sur l'eau du détecteur proche.

Notes:
[1] M. Martini, M. Ericson, G. Chanfray, and J. Marteau (marteau peut faire référence à :), Phys. Rev. C 80, 065501 (2009)
[2] M. Martini, M. Ericson, G. Chanfray, and J. Marteau, Phys. Rev. C 81, 045502 (2010)
[3] M. Martini, M. Ericson, G. Chanfray, Phys.Rev. D87 (2013) 1, 013009


Pour plus d'information voir:
- Les constituants ultimes de la matière › L'étude des neutrinos
- Le service de Physique des Particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi physique des hautes énergies car de nombreuses...)
- Neutrinos accélérateurs – T2K
- T2K

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Source: CEA-IRFU