Les premières traces de particules de l'expérience neutrino

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

L'expérience DUNE a pour mission d'éclaircir les mystères des neutrinos, les particules de matière les plus abondantes (et aussi les plus mystérieuses) de l'Univers. Les neutrinos sont partout autour 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 de ProtoDUNE (un cube gigantesque, de la taille d'une maison de trois étages) a été construit au CERN, le Laboratoire européen pour la physique des particules ; il s'agit du premier de deux prototypes conçus en vue du projet DUNE, un futur détecteur bien plus grand qui sera situé au Fermilab, le Laboratoire national de l'accélérateur Fermi du département de l'Énergie des États-Unis. Les premiers modules du détecteur DUNE, qui enregistreront des données 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 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, lequel doit être maintenu à une température inférieure à -184 degrés Celsius. Le détecteur enregistre les traces 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 à venir afin de tester la technologie de façon poussée.

« 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 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. Plus d'un millier de scientifiques et d'ingénieurs de 32 pays situés sur quatre continents (Afrique, Asie, Europe, Amérique du Nord 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 de Manchester (Royaume-Uni). DUNE est la plus grande collaboration au monde de scientifiques se consacrant à 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, qui peuvent être décelées par des systèmes de trajectographie sophistiqués capables de créer des images en trois dimensions de processus subatomiques autrement invisibles. (Une animation vidéo 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.) 

 

Cette image montre l’une des premières traces de muons cosmiques enregistrées par le détecteur ProtoDUNE au CERN. Trois plans de fils, composés chacun de milliers de fils, ont enregistré le signal du muon lorsqu’il a traversé l’argon liquide dans le détecteur, sur une distance d’environ 3,8 mètres ; la combinaison de ces signaux fournit aux scientifiques une image en trois dimensions de la trajectoire de la particule. (Image : collaboration DUNE)

 

« 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, 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 d'une étoile, 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 infinie ou s'ils finissent par se désintégrer. Observer des désintégrations de protons nous rapprocherait du rêve d'Einstein, à savoir une théorie de la grande unification. 

« 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 PIP-II au Fermilab, qui alimentera le faisceau de neutrinos pour l'expérience, consultez la page www.fnal.gov/dune.

Inside protoDUNE (Image: CERN)