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Aug 01, 2023

La première observation de neutrinos au Grand collisionneur de hadrons du CERN

Article du 26 août 2023 Cet article a été révisé conformément au processus éditorial et aux politiques de Science X. Les éditeurs ont mis en avant les attributs suivants tout en garantissant la qualité du contenu

Article du 26 août 2023

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par Ingrid Fadelli, Phys.org

Les neutrinos sont de minuscules particules chargées de manière neutre, représentées par le modèle standard de la physique des particules. Bien qu’on estime qu’elles comptent parmi les particules les plus abondantes dans l’univers, leur observation s’est jusqu’à présent avérée très difficile, car la probabilité qu’elles interagissent avec d’autres matières est faible.

Pour détecter ces particules, les physiciens utilisent des détecteurs et des équipements avancés pour examiner les sources connues de neutrinos. Leurs efforts ont finalement abouti à l’observation de neutrinos provenant du soleil, des rayons cosmiques, des supernovae et d’autres objets cosmiques, ainsi que des accélérateurs de particules et des réacteurs nucléaires.

Un objectif de longue date dans ce domaine d'étude était d'observer les neutrinos à l'intérieur de collisionneurs, des accélérateurs de particules dans lesquels deux faisceaux de particules entrent en collision. Deux grandes collaborations de recherche, à savoir FASER (Forward Search Experiment) et SND (Scattering and Neutrino Detector)@LHC, ont observé ces neutrinos dans un collisionneur pour la toute première fois, à l'aide de détecteurs situés au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN en Suisse. Les résultats de leurs deux études ont été récemment publiés dans Physical Review Letters.

"Les neutrinos sont produits en très grande quantité dans les collisionneurs de protons tels que le LHC", a déclaré Cristovao Vilela, membre de la collaboration SND@LHC, à Phys.org. "Cependant, jusqu'à présent, ces neutrinos n'avaient jamais été observés directement. La très faible interaction des neutrinos avec d'autres particules rend leur détection très difficile et, de ce fait, ce sont les particules les moins bien étudiées dans le modèle standard de la physique des particules."

La collaboration FASER et SND@LHC sont deux efforts de recherche distincts, tous deux utilisant le LHC du CERN. Récemment, ces deux efforts ont observé indépendamment les premiers neutrinos du collisionneur, ce qui pourrait ouvrir de nouvelles voies importantes pour la recherche expérimentale en physique des particules.

La collaboration FASER est un vaste effort de recherche établi dans le but d’observer la lumière et les particules à faible interaction. FASER a été le premier groupe de recherche à observer les neutrinos au LHC, à l'aide du détecteur FASER, situé à plus de 400 m de la célèbre expérience ATLAS, dans un tunnel séparé. FASER (et SND@LHC) observent les neutrinos produits dans la même « région d'interaction » à l'intérieur du LHC qu'ATLAS.

"Les collisionneurs de particules existent depuis plus de 50 ans et ont détecté toutes les particules connues à l'exception des neutrinos", a déclaré Jonathan Lee Feng, co-porte-parole de la collaboration FASER, à Phys.org. "En même temps, chaque fois que des neutrinos ont été découverts à partir d'une nouvelle source, qu'il s'agisse d'un réacteur nucléaire, du Soleil, de la Terre ou de supernovae, nous avons appris quelque chose d'extrêmement important sur l'univers. Dans le cadre de nos récents travaux, nous avons décidé de détecter pour la première fois les neutrinos produits dans un collisionneur de particules.

La collaboration FASER a observé les neutrinos des collisionneurs en plaçant leur détecteur le long de la ligne de faisceau, en suivant leurs trajectoires. On sait que les neutrinos de haute énergie sont principalement produits sur ce site, mais d'autres détecteurs du LHC ont des angles morts dans cette direction et n'ont donc pas pu les observer dans le passé.

"Comme ces neutrinos ont des flux et des énergies élevés, ce qui les rend beaucoup plus susceptibles d'interagir, nous avons pu en détecter 153 avec un très petit détecteur peu coûteux, construit en très peu de temps", a expliqué Feng. "Auparavant, on pensait que la physique des particules était divisée en deux parties : les expériences à haute énergie, nécessaires à l'étude des particules lourdes, comme les quarks top et les bosons de Higgs, et les expériences à haute intensité, nécessaires à l'étude des neutrinos. Ces travaux ont montré que les expériences à haute énergie peuvent également étudier les neutrinos, ce qui a permis de rapprocher les frontières des hautes énergies et des hautes intensités. »