STEREO met la pression sur l'existence d'un 4ème neutrino
Publié par Adrien le 28/03/2018 à 00:00
Source: CNRS-IN2P3
L'expérience STEREO, à laquelle participe le LAPP et le LPSC, a présenté ses premiers résultats de physique lors des 53èmes Rencontres de Moriond. Une grande partie de l'espace des paramètres autorisé pour une oscillation vers un hypothétique 4ème neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.) est maintenant exclu.

Alors qu'ils sont parmi les particules les plus abondantes de l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.), les neutrinos sont connus pour être des particules élémentaires extrêmement difficiles à détecter. Ils prennent naissance au coeur des étoiles ou au sein des phénomènes les plus violents de notre univers, mais peuvent aussi être produits par des accélérateurs de particules ou, comme dans le cas de l'expérience STEREO (Stereo (Solar TErrestrial RElations Observatory) est une mission spatiale de la NASA réalisée dans le cadre du programme international d'étude des relations Soleil-Terre (Solar Terrestrial...), dans les réactions au coeur des réacteurs nucléaires. Les neutrinos ne possèdent pas de charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de conservation.) et n'interagissent que très faiblement avec la 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...). Aujourd'hui nous en connaissons 3 types ou saveurs: le neutrino électronique, le neutrino muonique et le neutrino tauique. Une étonnante découverte, faite il y a 20 ans, a montré que les neutrinos pouvaient changer de saveur, c'est à dire se transformer d'une saveur à l'autre lors de leur propagation. Ce phénomène, appelé "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" a été récompensé par le prix Nobel de Physique (Le prix Nobel de physique est une récompense gérée par la Fondation Nobel, selon les dernières volontés du testament du chimiste Alfred Nobel. Il récompense des figures...) en 2015.

Existe-t-il plus de 3 types de neutrinos ? L'engouement 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 constituent les...) de cette question a connu un nouvel élan en 2011, lorsque des chercheurs remarquèrent que deux séries de résultats expérimentaux jusque là inexpliqués pouvaient être interprétés par la transformation des neutrinos vers un 4ème type de neutrino encore jamais observé. Ce neutrino, dit "stérile" pour qualifier son caractère indétectable, aurait 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 corps à la force de...) autour de l'eV, bien plus importante que celle des trois autres neutrinos déjà connus et sa découverte serait une avancée majeure en 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...). Plusieurs expériences, dont STEREO, se sont engagées dans cette course (Course : Ce mot a plusieurs sens, ayant tous un rapport avec le mouvement.) au neutrino stérile afin de confirmer ou d'infirmer l'hypothèse d'un 4ème neutrino.

STEREO est une expérience franco-allemande observant les neutrinos issus du coeur du réacteur nucléaire (Un réacteur nucléaire est un dispositif dans lequel une réaction en chaîne est initiée, modérée et contrôlée par l'humain...) de 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 scientifique désigne...) de l'Institut Laue-Langevin (L'Institut Laue-Langevin (ILL), nommé ainsi en l'honneur des physiciens Max von Laue (physicien allemand 1879-1960) et Paul Langevin (physicien français 1872-1946) est...) à Grenoble. L'expérience a été conçue et mise en oeuvre par les groupes de recherche et les services techniques de l'Irfu-CEA de Saclay, de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) Laue-Langevin (ILL), du Laboratoire d'Annecy de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) des particules (LAPP, CNRS/Université Savoie Mont Blanc), du Laboratoire de physique subatomique et cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.) (LPSC, CNRS/Université Grenoble Alpes/Grenoble INP) de Grenoble et du Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) de Heidelberg (Heidelberg est une ville d'Allemagne située dans la vallée du Neckar, au nord-ouest du Land de Bade-Wurtemberg. Le nom de "Heidelberg" provient peut-être de Heidelbeere qui veut dire myrtille en allemand (Heidelbeera en...), Allemagne. Les prises de 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.) sont en cours depuis plus de 18 mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.).


Sont montrées les valeurs possibles des paramètres d'oscillation vers un 4ème neutrino et les valeurs maintenant exclues par les résultats de l'expérience STEREO. L'axe vertical correspond à la masse et à la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence sans précision,...) d'oscillation vers un tel neutrino et l'axe horizontal (Horizontal est une orientation parallèle à l'horizon, et perpendiculaire à la verticale. Une ligne horizontale va « de la gauche vers la...) à son amplitude (Dans cette simple équation d’onde :). Les courbes en noir délimitent les scénarios auparavant les plus probables, avec 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 plus proche de la Terre.) marquant le cas le plus vraisemblable. Les régions en rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) et vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde comprise entre 490 et 570 nm. L'œil humain possède un récepteur, appelé cône M, dont la bande passante est axée sur cette...) sont rejetées par les mesures de l'expérience STEREO, avec différents degrés de certitude (95% et 90%). La région en bleue représente la sensibilité théorique de rejection de l'expérience STEREO pour une précision statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de l'application d'une méthode statistique...) correspondant à 66 jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil...) de données. © STEREO

Les premiers résultats de l'expérience STEREO présentés lors des Rencontres de Moriond excluent une partie significative de l'espace des paramètres attendu pour l'existence d'un hypothétique 4ème neutrino, mais la quête mondiale au neutrino stérile ne s'arrête pas là pour autant. La collaboration STEREO se prépare en effet à accumuler 4 fois plus de données d'ici la fin de l'année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.) 2019, ce qui permettra conjointement avec les résultats d'autres projets concurrents, mais complémentaires, actuellement en cours d'apporter un éclairage nouveau sur cet hypothétique 4ème neutrino. Grâce aux caractéristiques du coeur du réacteur (Un réacteur peut désigner :) de l'ILL, hautement enrichi en U235, l'expérience STEREO pourra aussi fournir de nouvelles mesures du spectre des neutrinos émis par la fission de cet isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons dans le noyau...), très importantes pour l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une...) des expériences neutrino auprès des réacteurs.

Le LPSC et le LAPP, particulièrement impliqués dans le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et...), ont été chargés de la protection du 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...) vis à vis des bruits de fond (détecteur de muons, blindages en plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et de numéro atomique 82. Le mot et le symbole viennent du latin plumbum.) et polyéthylène), du cadre mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de...) soutenant les blindages et facilitant le déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et...) de l'expérience, de l'électronique d'acquisition (En général l'acquisition est l'action qui consiste à obtenir une information ou à acquérir un bien.) de données et du système d'étalonnage du détecteur. Les physiciens de ces deux laboratoires ont eu une contribution majeure dans l'analyse des données (L’analyse des données est un sous domaine des statistiques qui se préoccupe de la description de données conjointes. On cherche par ces méthodes à donner les liens...) de cette première campagne (La campagne, aussi appelée milieu rural désigne l'ensemble des espaces cultivés habités, elle s'oppose aux concepts de ville, d'agglomération ou de milieu urbain. La campagne est caractérisée...) de mesure et poursuivent leurs efforts avec l'exploitation des données de la 2ème campagne de mesure.

Le projet STEREO est soutenu financièrement par l'Agence nationale de la recherche (ANR) pour la période 2013-2017 (incluant une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) d'études et construction qui aura duré 3 ans puis la phase actuelle d'exploitation), mais aussi en France par le CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), l'UGA, le CEA et l'Institut Laue-Langevin (ILL, Grenoble) ; en Allemagne par la Société Max Planck (La Société Max-Planck (en allemand Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. soit Société Max-Planck pour le développement de la science) est un...). Le projet bénéficie également du soutien des labex ENIGMASS et P2IO pour l'accueil de post-doctorants et de stagiaires.

Référence
- G. Mention et al, Phys. Rev. D83 (2011) 073006.
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