MicroBooNE met en lumière le casse-tête neutrino

Professeur assistant à l’UC Santa Barbara Xiao Luo a un grand amour pour le petit neutrinos, une particule subatomique commune, mais très insaisissable et encore mystérieuse.

Neutrinos sont la particule avec la masse la plus abondante dans notre univers – bien qu’elles interagissent rarement avec d’autres matières. Leur nature insaisissable les rend très difficiles à détecter. Les neutrinos sont également des métamorphes, oscillant lorsqu’ils voyagent entre trois saveurs (électron, muon et tau) prédites par le Modèle standard de la physique des particules. L’étude de ces oscillations peut apporter des réponses à des questions fondamentales en physique, comme comprendre pourquoi notre univers contient plus de matière que d’antimatière. « C’est gratifiant d’être un expérimentateur sur les neutrinos car ils offrent de nombreuses opportunités d’en apprendre davantage sur notre univers, et il est probable que tout ce que nous trouverons en les étudiant conduira à de nouvelles découvertes », a déclaré Luo.

Il n’est donc pas surprenant qu’elle ait sauté sur l’occasion pour rejoindre le MicroBooNE (Micro Booster Neutrino Experiment), un détecteur de neutrinos de 170 tonnes à peu près de la taille d’un bus scolaire qui fonctionne au Laboratoire national de l’accélérateur de Fermi depuis 2015. Son travail ? Pour faire la lumière sur certaines données intéressantes recueillies deux décennies plus tôt par les prédécesseurs du détecteur.

« L’objectif principal de MicroBooNE est de résoudre les anomalies expérimentales précédentes qui hantent les physiciens des particules depuis des décennies », a déclaré Luo, chercheur principal du groupe neutrino de l’UCSB. Des expériences menées au tournant du siècle — d’abord au Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND) au Laboratoire national de Los Alamos du département américain de l’Énergie, puis à la Mini Booster Neutrino Experiment (MiniBooNE) au Fermilab à Chicago — ont vu plus d’interactions de neutrinos que les calculs prédits, conduisant les scientifiques à se demander ce qui pourrait être à l’origine de cette activité inattendue.

Une théorie d’un quatrième, neutrino « stérile » a émergé et est devenu un candidat populaire pour expliquer ces résultats étranges. Encore plus insaisissable que les trois saveurs connues, ce nouveau neutrino n’interagirait que par gravité. Sa présence pourrait expliquer les résultats anormaux produits au LSND et au MiniBooNE. S’ils étaient prouvés, les neutrinos stériles constitueraient également un défi pour le modèle standard, la théorie dominante du fonctionnement de l’univers.

Électrons contre photons
Les neutrinos ne peuvent pas être « vus » directement ; la détection repose plutôt sur l’observation des particules qui émergent lorsqu’un neutrino frappe un atome à l’intérieur du détecteur. Le détecteur MiniBooNE avait une limitation particulière : il était incapable de faire la différence entre les électrons et les photons (particules de lumière) à proximité de l’endroit où le neutrino interagissait. Cette ambiguïté dépeint une image confuse des particules émergeant des collisions.

Si MiniBooNE voyait vraiment plus d’électrons que prévu, cela indiquerait des neutrinos électroniques supplémentaires provoquant les interactions. Cela signifierait que quelque chose d’inattendu se produisait dans les oscillations que les chercheurs n’avaient pas expliquées : les neutrinos dits stériles. Mais si les photons étaient à l’origine de l’excès, l’anomalie s’expliquerait soit par un processus de fond mal modélisé, soit par une nouvelle physique non directement liée aux neutrinos stériles.

MicroBooNE surmonte les limites de MiniBooNE grâce à sa technologie de pointe. Il utilise des capteurs de lumière spéciaux et plus de 8 000 fils minutieusement attachés pour capturer les traces de particules. Il est logé dans un conteneur cylindrique de 40 pieds de long rempli de 170 tonnes d’argon liquide pur. Les neutrinos heurtent le liquide dense et transparent, libérant des particules supplémentaires que l’électronique peut enregistrer. Les images 3D qui en résultent montrent des chemins de particules détaillés et, surtout, distinguent les électrons des photons.

Lors d’un séminaire récemment présenté au Fermilab, l’expérience MicroBooNE – une collaboration internationale de près de 200 scientifiques de 36 institutions dans cinq pays – a annoncé premiers résultats de leur recherche de l’anomalie MiniBooNE.

Ces résultats excluent les électrons comme source de l’excès de MiniBooNE avec une confiance supérieure à 99%. « Ce premier ensemble de résultats montre que nous ne voyons pas d’événements excessifs anormaux dans le canal des neutrinos électroniques dans les données MicroBooNE, ce qui rend improbable l’hypothèse des neutrinos stériles », a déclaré Luo, qui, avant d’arriver à l’UC Santa Barbara, a co-dirigé une équipe de Les scientifiques de MicroBooNE dans l’établissement de la stratégie globale de l’analyse de la signature de l’expérience.

Mais alors que les résultats excluent l’excès d’électrons, le côté photon de l’histoire est toujours ouvert. Le premier photon de MicroBooNE résultat a exclu un modèle d’arrière-plan photonique spécifique, mais il existe de nombreux canaux supplémentaires à étudier, tels que l’apparition d’un électron et d’un positron, ou différents résultats qui incluent des photons. Le groupe de Luo étudie activement de nouveaux modèles physiques plus larges et plus exotiques compatibles avec un excès de photons.

« Actuellement, je dirige l’effort de recherche de l’anomalie dans le canal photonique inclusif avec MicroBooNE », a-t-elle déclaré. Dans ce canal, de nombreux nouveaux scénarios de physique théorique passionnants ont été proposés, motivant le besoin d’une recherche et d’une identification plus raffinées des photons.

Erin Yandel, titulaire d’un doctorat étudiant dans le groupe neutrino de l’UCSB, a fait des progrès significatifs dans la conception de la chaîne de reconstruction et d’analyse dans le but d’améliorer l’efficacité de la sélection des photons et les performances globales de la recherche de photons. L’analyse améliorée devrait être en mesure de confirmer définitivement s’il existe un excès de photons et de déterminer l’identité de la nouvelle physique que Luo et son groupe souhaitent découvrir. « Notre prochain résultat de photons nous orientera dans la bonne direction dans notre voyage à la recherche d’une nouvelle physique, telle que divers modèles de neutrinos lourds et portails de neutrinos vers le secteur sombre », a déclaré Luo.

« Chaque fois que nous regardons les neutrinos, nous semblons trouver quelque chose de nouveau ou d’inattendu », a déclaré Justin Evans, scientifique à l’Université de Manchester et co-porte-parole de MicroBooNE. « Les résultats de MicroBooNE nous emmènent dans une nouvelle direction, et notre programme neutrinos va aller au fond de certains de ces mystères. »

Au-delà de MicroBooNE
Luo et ses collègues physiciens des neutrinos ont beaucoup à espérer. Les résultats de MicroBooNE démontrent la capacité physique de la technologie de détection avancée. Les développements de MicroBooNE seront essentiels pour la prochaine génération d’expériences bientôt en ligne, y compris ICARUS (Imaging Cosmic and Rare Underground Signals) et le détecteur de neutrinos à base courte du laboratoire Fermi.

Ceux-ci s’ajoutent à la Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), une expérience internationale phare hébergée par Fermilab qui compte déjà plus de 1 000 chercheurs de plus de 30 pays. DUNE étudiera les oscillations des neutrinos en envoyant des neutrinos à 800 milles (1 300 km) à travers la terre aux détecteurs de l’installation de recherche souterraine de Sanford, à une profondeur d’un mille. Le groupe de Luo se concentre sur la conception et le test de composants matériels pour le système de collecte de lumière – un élément clé du détecteur – et sur le développement d’études de simulation visant à optimiser la conception du détecteur afin d’améliorer sa portée physique.

Ce travail est effectué par Dante Totani, un post-doctorant du groupe neutrino de l’UCSB jouant un rôle clé dans le développement d’une technologie de pointe pour le système de détection de photons de DUNE, ainsi que par des étudiants de premier cycle menant des études de simulation qui fournissent une contribution essentielle à la conception du détecteur. Le système de détection de photons amélioré conduira à une synchronisation plus précise, une meilleure identification des particules et des seuils d’énergie plus bas, tous nécessaires pour élargir les capacités physiques de DUNE. Grâce à cela, de nouvelles mesures physiques passionnantes seront effectuées dans les années à venir.

La source: Université de Santa Barbara