SHINE met en lumière les faisceaux de neutrinos

L'expérience NA61 au CERN, également connue sous le nom de SHINE, a effectué de nouvelles mesures qui aideront les physiciens à déterminer le contenu des faisceaux de neutrinos utilisés dans les expériences aux États-Unis

7 juin 2023

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Par Ana Lopes

Le hall expérimental où se trouve NA61/SHINE (Image : CERN)

Au moment du Big Bang, il y a 13,8 milliards d'années, on pense que chaque particule de matière a été produite avec un équivalent d'antimatière de charge électrique opposée. Mais dans l'Univers actuel, il y a bien plus de matière que d'antimatière. Pourquoi c'est le cas est l'une des plus grandes questions de la physique.

La réponse peut résider, au moins en partie, dans des particules appelées neutrinos, qui n'ont pas de charge électrique, sont presque sans masse et changent d'identité - ou "oscillent" - d'un des trois types à l'autre lorsqu'elles voyagent dans l'espace. Si les neutrinos oscillaient différemment de leurs équivalents antimatière, les antineutrinos, ils pourraient aider à expliquer le déséquilibre matière-antimatière dans l'Univers.

Des expériences à travers le monde, telles que l'expérience NOvA aux États-Unis, étudient cette possibilité, tout comme les expériences de nouvelle génération, y compris DUNE. Dans ces expériences d'oscillation de neutrinos à longue base, un faisceau de neutrinos est mesuré après avoir parcouru une longue distance – la longue ligne de base. L'expérience est ensuite menée avec un faisceau d'antineutrinos, et le résultat est comparé à celui du faisceau de neutrinos pour voir si les deux particules jumelles oscillent de manière similaire ou différente.

Cette comparaison dépend d'une estimation du nombre de neutrinos dans les faisceaux de neutrinos et d'antineutrinos avant qu'ils ne se déplacent. Ces faisceaux sont produits en tirant des faisceaux de protons sur des cibles fixes. Les interactions avec la cible créent d'autres hadrons, qui sont focalisés à l'aide de "cornes" magnétiques et dirigés dans de longs tunnels dans lesquels ils se transforment en neutrinos et autres particules. Mais dans ce processus en plusieurs étapes, il n'est pas facile de déterminer la teneur en particules des faisceaux résultants – y compris le nombre de neutrinos qu'ils contiennent – ​​qui dépend directement des interactions proton-cible.

Entrez dans l'expérience NA61 au CERN, également connue sous le nom de SHINE. En utilisant des faisceaux de protons à haute énergie du super synchrotron à protons et des cibles appropriées, l'expérience peut recréer les interactions proton-cible pertinentes. NA61/SHINE a précédemment effectué des mesures de hadrons chargés électriquement qui sont produits dans les interactions et produisent des neutrinos. Ces mesures ont permis d'améliorer les estimations du contenu des faisceaux de neutrinos utilisés dans les expériences à longue base existantes.

La collaboration NA61/SHINE vient de publier de nouvelles mesures de hadrons qui permettront d'améliorer encore ces estimations. Cette fois-ci, en utilisant un faisceau de protons d'une énergie de 120 GeV et une cible de carbone, la collaboration a mesuré trois types de hadrons électriquement neutres qui se désintègrent en hadrons chargés produisant des neutrinos.

Cette interaction proton-carbone de 120 GeV est utilisée pour produire le faisceau de neutrinos de NOvA, et elle sera probablement aussi utilisée pour créer le faisceau de DUNE. Les estimations du nombre des différents hadrons neutres produisant des neutrinos que l'interaction produit reposent sur des simulations informatiques, dont la sortie varie considérablement en fonction des détails physiques sous-jacents.

"Jusqu'à présent, les simulations pour les expériences sur les neutrinos qui utilisent cette interaction reposaient sur des extrapolations incertaines à partir de mesures plus anciennes avec différentes énergies et noyaux cibles. Cette nouvelle mesure directe de la production de particules à partir de protons de 120 GeV sur le carbone réduit le besoin de ces extrapolations." explique le porte-parole adjoint de NA61/SHINE, Eric Zimmerman.

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Vous voulez en savoir plus sur les neutrinos ? Rejoignez le CERN, le Fermilab et le Sanford Underground Research Facility (SURF) pour un livestream interactif le 15 juin à 18h00 CEST.