FASER: Une nouvelle ère pour la physique des neutrinos
Publié par Adrien le 14/01/2020 à 08:00
Source: CERN
Un détecteur inédit pourrait ouvrir une nouvelle ère dans le domaine de la physique des neutrinos auprès de collisionneurs de particules.

Bien que les collisionneurs produisent un nombre énorme de neutrinos, il n'a pas encore été possible d'en détecter dans ces machines. Mais cela pourrait bien changer grâce à un tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) nouveau détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été spécifiquement conçu.), baptisé FASERν, que le CERN vient d'approuver pour l'expérience FASER. Ce petit détecteur, d'un coût modeste, sera placé à l'avant du détecteur principal de l'expérience FASER, et pourrait inaugurer une nouvelle ère (Une nouvelle ère (1/2) et Une nouvelle ère (2/2) sont des épisodes de la série télévisée Stargate Atlantis. Ce sont les deux premiers épisodes de la série (et donc de la saison 1). Il fait...) dans le domaine de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans...) des neutrinos auprès de collisionneurs de particules.

Depuis qu'ils ont été observés pour la première fois dans un réacteur nucléaire (Un réacteur nucléaire est un dispositif dans lequel une réaction en chaîne est initiée, modérée et contrôlée par l'humain — ou par la nature, comme dans le seul cas...), en 1956, les neutrinos ont été détectés en provenance de nombreuses sources, comme le Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification...), les interactions de rayons cosmiques dans l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :), ou la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre planètes...), mais jamais dans un collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux dirigés de particules élémentaires.) de particules. Cela est regrettable. En effet, la plupart des neutrinos créés dans des collisionneurs sont produits à des énergies très élevées, auxquelles les interactions de neutrinos n'ont pas été étudiées avec précision. Leur analyse pourrait apporter un nouvel éclairage sur ces particules fondamentales qui composent la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide,...), et qui restent à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par...) parmi les plus énigmatiques.


Illustration de l'expérience FASER. Un nouveau détecteur, appelé FASERν, faisant seulement 25 cm de large, 25 cm de haut et 1,35 m de long, sera placé à l'avant du détecteur principal de FASER, dans une tranchée étroite (bloc jaune en bas à droite de l'image). (Image: FASER/CERN)

Si des neutrinos générés par des collisionneurs n'ont pas encore pu être détectés, c'est principalement pour deux raisons. Premièrement, ces particules interagissent très faiblement avec la matière environnante ; deuxièmement, elles échappent aux détecteurs des collisionneurs. En effet, les neutrinos de la plus haute énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.), ceux qui ont le plus de chances d'interagir avec les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) du détecteur, sont produits essentiellement au plus près de la ligne de faisceau (la ligne suivie par les faisceaux de particules dans le collisionneur). Or, dans les détecteurs classiques, en raison de l'ouverture qui laisse passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) le faisceau, ces neutrinos ne peuvent pas être captés.

C'est là que FASER entre en jeu. Cette nouvelle expérience, approuvée en début d'année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.), s'intéresse aux particules légères interagissant faiblement, telles que les "photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées...) noirs" - des particules hypothétiques qui pourraient porter une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...) inconnue liant (Un liant est un produit liquide qui agglomère des particules solides sous forme de poudre. Dans le domaine de la peinture, il permet au pigment d'une peinture de coller sur le support, il est alors plutôt appelé médium.) la matière visible à la matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre) désigne la matière apparemment indétectable, invoquée pour rendre compte d'effets inattendus,...). L'expérience FASER, qui est soutenue par la Fondation Heising-Simons et la Fondation Simon, sera située au plus près de la ligne de faisceau du Grand collisionneur de hadrons (LHC), environ 480 mètres en aval de l'expérience ATLAS, position idéale pour détecter des neutrinos. La détection ne peut toutefois s'effectuer au moyen du détecteur principal de l'expérience.

"Étant donné que les neutrinos interagissent très faiblement avec la matière, pour pouvoir les détecter, on a besoin d'une cible faite d'un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...) très dense. Le détecteur principal de FASER ne dispose pas d'une telle cible et n'est donc pas capable de détecter des neutrinos, même si les collisions du LHC en produisent une énorme quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de...), explique Jamie Boyd, co-porte-parole de l'expérience FASER.C'est là qu'intervient FASERν. Le détecteur est constitué de films d'émulsion et de plaques de tungstène, et fait office à la fois de cible et de détecteur pour observer les interactions de neutrinos."

FASERν ne fait que 25 cm de large, 25 cm de haut et 1,35 m de long, mais pèse 1,2 tonne ( La tonne représente différentes unités de mesure ; Une tonne est un grand et large tonneau ; Une tonne-pompe est un fourgon d'incendie ; En zoologie, la tonne cannelée est un...). Les détecteurs de neutrinos actuels sont généralement plus imposants ; par exemple, le détecteur de neutrinos souterrain Super-Kamiokande (L'expérience Super-Kamiokande, situé au Japon près de la ville de Mozumi, consiste en un immense cylindre de 40m de haut et 40m de diamètre rempli de plus de 50 000 tonnes d'eau ! Son emplacement dans une mine,...), au Japon, pèse 50 000 tonnes, et le détecteur IceCube, au pôle Sud (Le pôle Sud est le point le plus au sud de la surface de la Terre, diamétralement opposé au pôle Nord. Il est situé sur le continent Antarctique.), a un volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) d'1 km^3.

Après avoir évalué les capacités de l'expérience FASER en termes de détection de neutrinos, et réalisé des études préliminaires au moyen de détecteurs pilotes, en 2018, la collaboration FASER a estimé que le détecteur FASERν pouvait détecter plus de 20 000 neutrinos. Ces neutrinos auraient une énergie moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient tous identiques sans...) comprise entre 600 GeV et 1 TeV, en fonction du type de neutrinos produits. Il existe en effet trois types de neutrinos: le neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.) de l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.), le neutrino du muon (Le muon est, selon le modèle standard de physique des particules, le nom donné à deux particules élémentaires de charge positive et négative....) et le neutrino du tau ; la collaboration prévoit de détecter 1 300 neutrinos de l'électron, 20 000 neutrinos du muon et 20 neutrinos du tau.

"Parmi les neutrinos créés artificiellement, ces neutrinos auraient l'énergie la plus élevée jamais atteinte jusqu'ici ; leur détection et leur étude au LHC sera une étape importante en physique des particules, permettant aux scientifiques de réaliser des mesures très complémentaires dans le domaine de la physique des neutrinos, explique Jamie Boyd. Qui plus est, le détecteur FASERν pourrait également ouvrir la voie à la mise en oeuvre de programmes neutrinos auprès de collisionneurs futurs, et les résultats de ces programmes pourraient contribuer à l'élaboration de projets de détecteurs de neutrinos beaucoup plus grands."

Le détecteur FASERν sera installé avant la prochaine période d'exploitation du LHC, qui débutera en 2021 ; il est prévu qu'il recueille des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) tout au long de cette période.
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