NA61/SHINE au renfort pour les expériences neutrino
Publié par Redbran le 12/12/2019 à 14:00
Source: CERN
Comment les mesures de l'expérience NA61/SHINE au CERN aident des expériences neutrino aux États-Unis et au Japon.


À l'intérieur de l'expérience NA61, au CERN (Image: CERN)

De toutes les particules connues qui ont une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du...), les neutrinos sont les plus légères. L'étude de leur comportement lorsqu'elles se déplacent pourrait aider à résoudre l'une des plus grandes énigmes de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général...): pourquoi l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) actuel est constitué principalement de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide,...) alors que le Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que l’ensemble des...) devrait avoir produit matière et antimatière (L'antimatière est l'ensemble des antiparticules des particules composant la matière classique — celle dont est faite la Terre. Le préfixe « anti- » signifie que l'antimatière est...) en quantités égales. Dans deux articles récents, la collaboration NA61/SHINE rend compte de mesures cruciales pour les expériences qui étudient ce comportement des neutrinos au moyen d'accélérateurs.

Il existe trois types ou "saveurs" de neutrinos, et les expériences consacrées à leur étude mesurent de plus en plus précisément comment ceux-ci et leurs équivalents dans l'antimatière, les antineutrinos, "oscillent" d'une saveur à une autre lorsqu'ils se déplacent. S'il devait se révéler que les neutrinos et les antineutrinos oscillent de manières différentes, cette différence pourrait expliquer en partie le déséquilibre actuel entre matière et antimatière dans l'Univers.

Les expériences neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.) utilisant des accélérateurs cherchent à observer les oscillations des neutrinos en produisant un faisceau de neutrinos d'une certaine saveur, et en mesurant ce faisceau une fois qu'il a parcouru une longue distance. Les faisceaux de neutrinos sont habituellement obtenus en envoyant un faisceau de protons de haute 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.) sur des cibles 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.) ou de béryllium longues et fines. Les interactions entre les protons et les cibles produisent des hadrons, par exemple des pions et des kaons, qui sont alors focalisés au moyen de cornes magnétiques en aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.) et dirigés vers de longs tunnels, dans lesquels ils se transforment en neutrinos et en d'autres particules.

Pour mesurer fiablement les oscillations des neutrinos, les chercheurs travaillant sur ces expériences doivent estimer le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de neutrinos contenus dans le faisceau avant l'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...) et la mesure dans laquelle ce nombre varie en fonction de l'énergie des particules. Cette estimation du "flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens...) de neutrinos" est difficile à réaliser car les neutrinos interagissent très faiblement avec les autres particules et ne peuvent pas être détectés facilement. Pour contourner cette difficulté, les chercheurs estiment donc plutôt le nombre de hadrons. Mais mesurer le nombre de hadrons est difficile aussi car ceux-ci sont trop nombreux pour que la mesure soit précise.

C'est là qu'entrent en jeu des expériences telles que NA61/SHINE auprès du Supersynchrotron à protons du CERN. L'expérience NA61/SHINE est capable de reproduire les interactions entre les protons et les cibles ayant créé les hadrons qui se transforment ensuite en neutrinos. Elle peut également reproduire les interactions qui ont lieu ensuite pour les protons et les autres hadrons dans les cibles et les cornes de focalisation. Ces dernières interactions peuvent produire de nouveaux hadrons, qui à leur tour engendrent des neutrinos.

La collaboration NA61/SHINE a précédemment mesuré des hadrons créés dans des expériences utilisant des protons d'une énergie de 31 GeV/c (c étant la vitesse (On distingue :) de la lumière) pour aider à prédire le flux de neutrinos dans l'expérience sur l'oscillation des neutrinos T2K (Tokai-to-Kamioka), au Japon. La collaboration a également recueilli des 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.) à des énergies de 60 et 120 GeV/c au profit des expériences MINERνA, NOνA et DUNE (Une dune est un relief composé de sable. Des dunes, dites « dunes hydrauliques », peuvent se former et se déplacer sous la mer. Toutes les dunes...) du Fermilab (États-Unis). L'analyse de ces données progresse bien et elle a tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) récemment été à l'origine de deux articles: l'un décrivant des mesures des interactions de protons avec du carbone, du béryllium et de l'aluminium, et l'autre rapportant des mesures des interactions de pions avec du carbone et du bérylium.

"Ces résultats sont cruciaux pour les expériences neutrino du Fermilab, explique Laura Fields, membre de la collaboration NA61/SHINE et co-porte-parole de MINERvA. Pour prédire les flux de neutrinos pour ces expériences, les scientifiques ont besoin de simulations extrêmement détaillées de l'intégralité de la ligne de faisceau et de toutes les interactions qui y ont lieu. Pour ce faire, nous avons besoin de connaître 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 importance donnant lieu à...) que chaque type 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 en contact de sujets.) se produise, les particules qui seront produites, et leurs propriétés. Les mesures d'interactions telles que les dernières réalisées seront donc essentielles pour rendre ces simulations beaucoup plus précises. "

"Dans l'avenir, NA61/SHINE se concentrera sur des mesures destinées à la prochaine génération d'expériences sur les oscillations des neutrinos, notamment DUNE aux États-Unis et T2HK au Japon, pour permettre à ces expériences de produire des résultats d'une grande précision en physique des neutrinos", conclut-elle.

Contact auteur: Ana Lopes
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