Les premières traces de particules de l'expérience neutrino
Publié par Adrien le 19/09/2018 à 00:00
Source: Cristina Agrigoroae - Copyright CERN
Le plus grand détecteur de neutrinos à argon liquide du monde vient d'enregistrer ses premières traces de particules, ce qui marque le début d'un nouveau chapitre dans l'histoire de l'expérience internationale DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment).


A l'intérieur du cryostat protoDUNE-SP (Image: CERN)

L'expérience 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...) a pour mission d'éclaircir les mystères des neutrinos, les particules 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, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...) les plus abondantes (et aussi les plus mystérieuses) de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.). Les neutrinos sont partout autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit...) de nous, mais nous ne savons que très peu de choses sur eux. Les scientifiques de la collaboration DUNE pensent que l'étude de ces particules pourrait nous aider à répondre à l'une des grandes questions de la physique : pourquoi vivons-nous dans un Univers où domine la matière, un Univers dans lequel nous pouvons exister  ?

L'immense 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 été...) de ProtoDUNE (un cube (En géométrie euclidienne, un cube est un prisme dont toutes les faces sont carrées. Les cubes figurent parmi les solides les plus...) gigantesque, de la taille d'une maison (Une maison est un bâtiment de taille moyenne destiné à l'habitation d'une famille, voire de plusieurs, sans être considérée comme un immeuble collectif.) de trois étages) a été construit au CERN, le Laboratoire européen pour la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) des particules ; il s'agit du premier de deux prototypes conçus en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une...) DUNE, un futur détecteur bien plus grand qui sera situé au Fermilab, le Laboratoire national de l'accélérateur Fermi du département de 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 États-Unis. Les premiers modules du détecteur DUNE, qui enregistreront 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 partir de 2026, seront 20 fois plus grands que ces prototypes.

C'est la première fois que le CERN participe au développement de détecteurs et d'infrastructures pour un projet 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...) situé aux États-Unis.

Il a fallu deux ans pour construire le premier détecteur de ProtoDUNE, et huit semaines pour le remplir de 800 tonnes d'argon liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.), lequel doit être maintenu à une température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du transfert de...) inférieure à -184 degrés Celsius. Le détecteur enregistre les traces (TRACES (TRAde Control and Expert System) est un réseau vétérinaire sanitaire de certification et de notification basé sur internet...) laissées dans l'argon par les particules, qui proviennent à la fois de rayons cosmiques et d'un faisceau créé par le complexe d'accélérateurs du CERN. Maintenant que les premières traces ont été détectées, les scientifiques feront fonctionner le détecteur pendant les mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) à venir afin de tester la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) de façon poussée (En aérodynamique, la poussée est la force exercée par le déplacement de l'air brassé par un moteur, dans le sens inverse de l'avancement.).

Il y a deux ans à peine, nous terminions la construction du nouveau bâtiment au CERN destiné à accueillir deux grands prototypes de détecteurs, qui à terme constitueront l'expérience DUNE, se souvient Marzio Nessi, responsable de la plate-forme neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.) du CERN. Maintenant, le premier détecteur enregistre des données, et le second, qui utilise une technologie différente de celle à argon liquide, sera opérationnel dans quelques mois. "

La technologie sur laquelle s'appuie le premier détecteur de ProtoDUNE est la même que celle qui sera utilisée pour les premiers modules du détecteur DUNE, aux États-Unis, qui sera construit à une profondeur de 1,6 km sous la Sanford Underground Research Facility, dans le Dakota du Sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.). Plus d'un millier de scientifiques et d'ingénieurs de 32 pays situés sur quatre continents (Afrique, Asie (L'Asie est un des cinq continents ou une partie des supercontinents Eurasie ou Afro-Eurasie de la Terre. Il est le plus grand continent (8,6 % de la surface totale terrestre ou 29,4 % des terres émergées) et...), Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme l’extrémité occidentale du continent...), Amérique (L’Amérique est un continent séparé, à l'ouest, de l'Asie et l'Océanie par le détroit de Béring et l'océan...) du Nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) et du Sud) travaillent au développement, à la conception et à la construction des détecteurs de DUNE. La cérémonie du premier coup de pioche pour l'excavation des cavernes qui abriteront l'expérience a eu lieu en juillet 2017.

L'observation des premières traces de particules représente une belle réussite pour toute la collaboration DUNE, se réjouit Stefan Soldner-Rembold, co-porte-parole de DUNE, de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment...) de Manchester (Royaume-Uni). DUNE est la plus grande collaboration au monde de scientifiques se consacrant à la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...) sur les neutrinos, et notre but est de créer une expérience de pointe, qui pourrait changer notre vision de l'Univers. "

Lorsque les neutrinos entrent dans les détecteurs et viennent percuter les noyaux d'argon, ils produisent des particules chargées. Ces particules laissent des traces dans le liquide, sous forme d'ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la molécule - en perdant ou en gagnant des charges n'est plus neutre électriquement. Il est alors...), qui peuvent être décelées par des systèmes de trajectographie sophistiqués capables de créer des images en trois dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son...) de processus subatomiques autrement invisibles. (Une animation (L'animation consiste à donner l'illusion du mouvement à l'aide d'une suite d'images. Ces images peuvent être dessinées, peintes, photographiées, numériques, etc.) vidéo (La vidéo regroupe l'ensemble des techniques, technologie, permettant l'enregistrement ainsi que la restitution d'images animées, accompagnées ou non de son, sur un support adapté à...) expliquant le fonctionnement de DUNE et ProtoDUNE, et d'autres vidéos sur DUNE (en anglais), sont disponibles à l'adresse : https://www.fnal.gov/pub/science/lbnf-dune/photos-videos.html ) 

Le CERN est fier du succès de la plate-forme neutrino et enthousiaste à l'idée d'être un partenaire de DUNE, aux côtés de plusieurs instituts et universités de ses États membres et d'autres États, souligne Fabiola Gianotti, directrice générale du CERN. Ces premiers résultats de ProtoDUNE sont un bel exemple de ce qui devient possible lorsque des laboratoires du monde entier collaborent. Les recherches effectuées auprès de DUNE seront complémentaires de celles menées auprès du LHC et d'autres expériences au CERN ; ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une...), elles auront un fort potentiel pour apporter des réponses à certaines questions encore irrésolues de la physique des particules. "

DUNE n'étudiera pas que les neutrinos, mais également leurs partenaires dans l'antimatière ; les scientifiques chercheront à observer d'éventuelles différences entre le comportement des neutrinos et celui des antineutrinos, ce qui pourrait nous donner des indices sur la raison pour laquelle l'univers visible est constitué principalement de matière. DUNE cherchera aussi à observer des neutrinos produits lors de l'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz....) d'une étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la...), qui pourraient nous apporter des renseignements sur la formation d'étoiles à neutrons ou de trous noirs, et se penchera sur la question de savoir si les protons ont une durée de vie (La vie est le nom donné :) infinie ou s'ils finissent par se désintégrer. Observer des désintégrations de protons nous rapprocherait du rêve d'Einstein, à savoir une théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur...) de la grande unification (Le concept d'unification est une notion centrale de la logique des prédicats ainsi que d'autres systèmes de logique et est sans doute ce qui distingue le plus Prolog...)

DUNE représente l'avenir de la recherche sur les neutrinos, explique Nigel Lockyer, directeur du Fermilab. Le Fermilab se réjouit d'accueillir une expérience internationale présentant un si grand potentiel de découvertes, et de poursuivre son long partenariat avec le CERN, à la fois sur le projet DUNE et sur le Grand collisionneur de hadrons. "

Pour en savoir plus sur l'expérience DUNE, l'installation neutrino longue distance qui accueillera l'expérience et le projet d'accélérateur de particules (Les accélérateurs de particules sont des instruments qui utilisent des champs électriques et/ou magnétiques pour amener des particules...) PIP-II au Fermilab, qui alimentera le faisceau de neutrinos pour l'expérience, consultez la page www.fnal.gov/dune.
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