jeudi 23 avril 2015

Les américains accélèrent la recherche sur les neutrinos

Déménager toute une expérience de physique d'un continent à l'autre n'est ni banal ni anodin. On vient d'apprendre que l'expérience européenne ICARUS, dédiée à la recherche sur l'oscillation des neutrinos, et jusqu'alors implantée au laboratoire italien du Gran Sasso, allait migrer au Etats-Unis, pour être installée au célèbre FermiLab près de Chicago.


Le détecteur de neutrinos ICARUS au laboratoire
du Gran Sasso (INFN)
ICARUS a fonctionné au Gran Sasso durant 4 ans, entre 2010 et 2014 et tous ces équipements, ces détecteurs, sont aujourd'hui au CERN pour être mis à niveau. ICARUS mesurait des neutrinos produits par l'Homme, des neutrinos fabriqués au CERN, justement, grâce à un faisceau de particules. C'étaient les mêmes neutrinos que ceux qui avaient été mesurés comme étant supraluminiques fin 2011, souvenez-vous...
C'est dans le but avoué de trouver un nouveau type de neutrino que l'équipe européenne s'est laissée convaincre d'installer ses détecteurs à argon liquide auprès de l'accélérateur de FermiLab. Mais cette fois-ci, ICARUS ne sera donc pas à plus de 700 km de la source de neutrinos, mais tout près.
Le comité des programmes scientifiques de Fermilab a récemment proposé un programme, dirigé par le physicien américain Peter Wilson, pour installer non pas un mais trois gros détecteurs à proximité de l'un des sept grands accélérateurs du Fermi National Accelerator Laboratory (FermiLab pour les intimes), en plein dans le faisceau de neutrinos. Le but est clairement affiché : déterminer si oui ou non un 4ème neutrino, stérile, existe.
La raison qui pousse les américains à chercher le neutrino stérile (qui rappelons-le, est dit stérile car il n'interagirait strictement avec rien, sauf la gravitation), c'est que des indices ont été observés il y a presque 20 ans maintenant, dans deux expériences américaines : LSND (Liquid Scintillator Neutrino Experiment) à Los Alamos, et MiniBooNE à Fermilab déjà.
Ce qu'avaient entrevu ces deux expériences c'est une disparition de neutrinos "normaux" à courte distance de leur point de production. Ils auraient pu osciller vers le fameux état "stérile" et ainsi disparaître des écrans radar des détecteurs...
Inutile de préciser que l'existence d'un tel neutrino stérile chamboulerait pas mal le petit monde de la physique des particules, mais aussi celui de l'astrophysique, avec des implications multiples, à commencer par une nouvelle voie possible pour expliquer la masse manquante dans l'Univers. L'enjeu est plus qu'important.
ICARUS formera donc l'un des trois gros détecteurs, les deux autres sont tout d'abord le détecteur SBND (Short Baseline Neutrino Detector), avec ses 260 tonnes d'argon liquide, et qui sera situé le plus près dans le faisceau de neutrinos. SBND permettra de détecter les neutrinos du faisceau avant même qu'ils aient pu se transformer d'une espèce à l'autre (les trois espèces standard sont le neutrino électronique, le neutrino muonique et le neutrino tauique). SBND est encore en cours de construction par morceaux, entre les Etats-Unis, le Royaume-Uni et la Suisse.
Un peu plus loin dans le faisceau, se trouvera un détecteur déjà existant, qui s'appelle MicroBooNE, qui est le successeur de MiniBooNE, et qui fait tout de même une jolie masse de 170 tonnes. MicroBooNE est dédié exclusivement à la mise en évidence d'un neutrino stérile. Enfin, c'est encore un peu plus loin dans le faisceau que sera positionné ICARUS, ses 20 m de long et ses 760 tonnes.  L'une des raisons pour lesquelles les physiciens d'ICARUS ont décidé de quitter le faisceau du CERN au profit de celui de FermiLab est que le faisceau du CERN n'était pas adapté pour la recherche du neutrino stérile. Il faut pouvoir se placer relativement à courte distance du lieu de production des neutrinos. Or au Gran Sasso, ICARUS se trouvait à 730 km de la source de neutrinos, bien trop loin.

Ce qui est passionnant dans cette montée en puissance de FermiLab dans la recherche sur les neutrinos, c'est qu'ils ont su faire travailler ensemble trois expériences, suffisamment différentes pour être totalement complémentaires. Les trois détecteurs devraient voir ensemble leurs premiers neutrinos à partir de 2018.
Et les américains ne s'arrêtent pas là. Ils ont vraiment décidé de mettre le paquet sur la recherche consacrée aux neutrinos de tous poils. En effet, à l'instar de ce qui se fait entre le CERN et le labo souterrain du Gran Sasso, les américains vont également installer des détecteurs à très longue distance pour étudier les oscillations des neutrinos produits à FermiLab, mais avec une distance encore plus grande, bien sûr.

Schéma du principe de mesure du faisceau de neutrino à très longue distance (Fermi National Accelerator Laboratory)
Cette fois-ci, c'est une expérience en cours de projet qui va être transformée pour être boostée : LBNE (Long Baseline Neutrino Experiment) va devenir DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment). La nouvelle collaboration a déjà gagné environ 50 nouvelles institutions partenaires depuis le début de l'année... DUNE sera l'expérience la plus puissante dans la recherche sur les neutrinos, avec une distance de plus de 1200 km séparant un premier détecteur situé à FermiLab et le second, gigantesque (10000 tonnes), situé dans le laboratoire souterrain de Sanford dans le Dakota du Sud. 
Grâce à ces installations, les physiciens vont pouvoir étudier les oscillations des neutrinos avec un luxe de précision encore jamais atteinte. Et grâce à ses nouveaux partenaires, DUNE voit aujourd'hui la participation de 148 institutions de 23 pays différents, autant dire toute la communauté mondiale des neutrinos... 
Les physiciens vont travailler d'arrache-pied pendant plusieurs années pour mettre en service au plus vite cette grosse machine, qui sera immanquablement à l'origine de découvertes surprenantes, mais malheureusement pas avant 2021.

Les américains semblent en tous cas avoir repris la main sur la physique des neutrinos, si ce n'est sur la physique des particules, 4 ans après l'arrêt de leur collisionneur emblématique, le Tevatron, le 30 septembre 2011, après 28 ans de collisions de protons/antiprotons.


Sources :

Italian neutrino experiment to move to the US
Kathryn Jepsen
Symmetry Magazine

The dawn of DUNE
Jennifer Huber and Kathryn Jepsen
Symmetry Magazine

2 commentaires :

NicolasC a dit…

Bonjour, une question un peu bête : est-ce que les recherches portent sur la détection de neutrinos stériles 'légers' (masse du même ordre de grandeur que les 3 neutrinos connus) ? Ou sur des neutrinos stériles lourds comme on en trouve dans certaines GUTs pour expliquer la faible masse des 3 autres neutrinos ?

Dr Eric SIMON a dit…

@NicolasC il n'y a jamais de question bêtes, seules les réponses peuvent l'être... Pour répondre, je pense que les recherches du neutrino stérile s'oriente sur la nature de cet hypothétique neutrino, quelle que soit sa masse...