Les neutrinos, particules si légères qu’elles interagissent à peine avec la matière, restent en grande partie un mystère, 70 ans après leur découverte. Ces particules fondamentales se déclinent en trois saveurs : neutrino électronique, neutrino muonique et neutrino tauique. Des expériences menées dans différentes régions du monde ont permis de révéler les propriétés de ces différentes saveurs, mais le partenaire dans l’antimatière du neutrino tauique n’a pas encore été observé, ce qui en fait la seule particule du Modèle standard qui reste à détecter. Les chercheurs espèrent arriver à observer cette particule grâce au LHC à haute luminosité (HiLumi LHC).

Le LHC à haute luminosité produira beaucoup plus de collisions pour les grands détecteurs situés aux quatre points d’interaction. Il produira aussi un nombre de neutrinos beaucoup plus élevé. Le détecteur SND@LHC (Scattering and Neutrino Detector at the LHC) se prépare à exploiter ce qui sera la source la plus énergétique de neutrinos produits artificiellement. La plupart des expériences sur les neutrinos étudient les neutrinos provenant de l’espace, de la Terre ou de réacteurs nucléaires. SND@LHC et FASER, autre détecteur auprès du LHC, sont les seules expériences à utiliser comme source de neutrinos un collisionneur de particules

Le détecteur SND@LHC, situé 480 mètres en aval du point d’interaction d’ATLAS, a collecté des données tout au long de la troisième période d’exploitation du LHC, qui a commencé en juillet 2022 et s’est achevée en juin dernier. S’appuyant sur ces données, la collaboration SND@LHC a déjà publié les premières études sur les interactions des neutrinos muoniques avec la matière et observé des neutrinos électroniques.

Alors que l’analyse des données de la troisième période d’exploitation se poursuit, la collaboration se prépare à démonter entièrement le détecteur en vue d’une mise à niveau majeure. Les films d’émulsion nucléaire qui étaient auparavant utilisés dans le détecteur ne résisteront pas à l’augmentation considérable du nombre de particules générées par le LHC à haute luminosité ; c’est pourquoi la collaboration a décidé d’opter pour des capteurs en silicium, en construisant le premier détecteur de neutrinos reposant entièrement sur la technologie du silicium. 

Pour mener à bien cette entreprise, la collaboration SND@LHC dispose de 1 680 modules à microbandes en silicium provenant du tonneau externe du trajectographe de CMS, que l’expérience CMS ne pourra plus utiliser en raison des niveaux élevés de rayonnement attendus lors de l’exploitation du LHC à haute luminosité. Ces modules seront toutefois parfaitement adaptés au détecteur SND@LHC, qui est situé suffisamment loin du point d’interaction pour pouvoir supporter le rayonnement. Les films d’émulsion nucléaire ont une meilleure résolution en position, mais les modules en silicium compenseront cette différence par une résolution spatiale élevée associée à une lecture en temps réel.

Les chercheurs prévoient également une deuxième mise à niveau majeure pour SND@LHC : le développement d’un aimant permettant de distinguer les neutrinos des antineutrinos. Ce dispositif est essentiel pour l’observation de l’antineutrino tauique, la dernière particule du Modèle standard encore non détectée ; l’observation de cette particule constitue un objectif clé de SND@LHC pour l’ère du LHC à haute luminosité.

La collaboration SND@LHC a déjà mis au point un prototype du détecteur amélioré, qu’elle teste actuellement au CERN à l’aide de faisceaux de particules. Il s’agit d’une étape importante dans la perspective du LHC à haute luminosité.