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Des neutrinos détectés au grand collisionneur du CERN

Tuyaux formant l'anneau du LHC, un tunnel s'ouvre à leur gauche, avec un autre instrument en cours d'installation.
Le détecteur FASER installé dans un des tunnels (en haut à gauche) du LHC. © Maximilien Brice/CERN, CC BY

Le nouveau détecteur FASER vient de publier ses premiers résultats : il a détecté des signaux de neutrinos dans des conditions d’énergie encore jamais atteintes en laboratoire. Cela s’est produit au LHC (Large Hadron Collider), le titanesque complexe de 27 km de circonférence construit au CERN, le centre européen de la physique des particules situé à Genève. L’idée de chercher des neutrinos avait été avancée dès le colloque d’Évian réuni en 1992 pour examiner toutes les mesures accessibles au LHC. L’expérience est enfin sur les rails et prête pour une prise de données qui durera plusieurs années.

Les neutrinos, quèsaco ?

Les neutrinos sont des particules élémentaires qui s’inscrivent à côté des électrons, protons et neutrons formant les atomes. Ils sont électriquement neutres et ont la curieuse propriété de pouvoir traverser la matière presque sans qu’elle les arrête, un peu comme des fantômes. Ainsi, les neutrinos qui nous proviennent du Soleil passent indemnes à travers toute la Terre : pour eux, notre planète est transparente. En pratique (et en moyenne), une seule de ces particules sur un milliard sera arrêtée lors de la traversée, les autres continuant leur chemin en ligne droite. Pourquoi celle-là et pas une autre ? C’est une question de probabilité d’interaction, ce qui peut se comparer à la malchance de faire un accident de la route pendant un long trajet.

Cette propriété de passe-muraille permet aux physiciens de sonder des phénomènes cachés grâce aux quelques exemplaires qui veulent bien se laisser piéger. Les neutrinos renseignent ainsi sur le fonctionnement de notre Soleil, ils espionnent l’intérieur des réacteurs nucléaires, signent l’occurrence de cataclysmes au niveau des noyaux de lointaines galaxies. Mais cette propriété de quasi-invisibilité a comme inconvénient de rendre leur détection très difficile, nécessitant des dispositifs souvent gigantesques pour en repérer quelques traces. Précisons ici qu’il existe trois types de neutrinose, νμ et ντ) qui se distinguent lors de leurs interactions et donc ont des comportements différents.

La production des neutrinos

Les neutrinos se retrouvent en bout de chaîne des processus nucléaires qui s’enclenchent à énergie élevée, autant pour les sources naturelles que artificielles. Pour les sources naturelles, au-delà du Soleil qui en produit en abondance, on peut citer les implosions de supernovae, les rayons cosmiques interagissant dans l’atmosphère, ou encore la Terre elle-même. Parmi les sources artificielles, on compte les réacteurs nucléaires, et bien sûr les accélérateurs de particules.

L’avantage de cette dernière source est que la production y est calculable ce qui permet de faire des mesures précises. Le mécanisme à l’origine des neutrinos est bien compris : quand des protons accélérés bombardent la matière, cela produit beaucoup de particules secondaires, en particulier des pions et des kaons, particules très communes qui se désintègrent assez rapidement en lâchant un neutrino. Or, on sait que leur probabilité d’interagir croît proportionnellement à leur énergie. Ainsi, un neutrino produit au LHC a une chance environ un million de fois plus élevées d’être détecté qu’un neutrino venant du Soleil, d’où l’avantage relatif du dispositif du CERN.

Depuis les années 1970, des millions d’interactions de neutrinos ont été analysées aux accélérateurs grâce à des dispositifs souvent énormes, tant au CERN qu’aux États-Unis et au Japon. D’autres appareillages encore plus imposants sont en développement pour mieux comprendre les propriétés des neutrinos. Aujourd’hui, il s’agit en priorité d’expliquer la disparition de l’antimatière depuis l’époque du Big Bang qui serait la conséquence d’un léger déséquilibre dans les comportements des neutrinos (expériences Hyper-Kamiokande et DUNE).

On possède ainsi une bonne connaissance des deux premiers types de neutrinos (νe et νμ), mais on n’avait encore jamais observé ceux produits au LHC, où le ντ est présent de manière relativement plus abondante. Seule l’expérience pionnière DONUT au laboratoire américain Fermilab en vit quelques exemplaires en l’an 2000, ainsi que, plus récemment, OPERA qui examinait sous la montagne du Gran Sasso en Italie le changement spontané de neutrinos de type νμ produits à Genève après 730 km de course.

Le collisionneur LHC

Le LHC n’est pas un simple accélérateur : c’est un collisionneur constitué d’un double accélérateur permettant de réaliser des collisions entre deux protons qui se percutent de plein fouet à des énergies record.

Le LHC est le plus puissant accélérateur de particules construit à ce jour.

L’unité couramment utilisée ici est l’électron-volt (eV), c’est l’énergie d’un électron accéléré par une tension de un volt. Cette valeur étant minuscule, on utilise les multiples de cette unité. Ainsi, au LHC, chaque proton est accéléré jusqu’à 6,5 Tera-eV (soit 6,5.10 eV) ; l’énergie totale disponible dans les collisions atteint donc 13 TeV, soit environ dix à cent fois plus que celle atteinte avec les accélérateurs antérieurs. C’est une énergie inégalée pour un dispositif construit sur la Terre !

Or, comme on l’a dit, la probabilité d’interagir des neutrinos croît proportionnellement à leur énergie. Le LHC a de plus l’avantage de mettre en scène des milliards de protons accélérés chaque seconde. Ces conditions extrêmes permettent de produire et d’analyser plus facilement des neutrinos dans une gamme d’énergie encore inexplorée, en particulier le type le plus rare (ντ).

À noter qu’en termes d’énergie, la Nature fait mieux : on a détecté des protons 10 millions de fois plus énergétiques que ceux accélérés au LHC parmi les rayons cosmiques (expérience Auger en Argentine), mais le flux correspondant est infiniment rare, de l’ordre d’une particule par siècle tombant sur un km2. De même, des neutrinos d’énergie très supérieure a ceux escomptés venant de l’atmosphère ont été détectés dans d’immenses dispositifs qui se cachent sous la glace du Pôle Sud ou dans les fonds de la Méditerranée (expériences IceCube et Antares), mais eux aussi sont trop rares pour permettre des mesures systématiques. Avantage donc au collisionneur pour une détection finement maîtrisée.

Le détecteur FASER

Le détecteur qui vient de publier les résultats d’un premier test de recherche de neutrinos au LHC a pour nom FASER (Forward Search Experiment). C’est un modeste appendice ajouté à l’un des gros détecteurs en opération, situé à 480 mètres d’un point où se produisent les collisions proton contre proton.

Le dispositif est relativement compact et examine les seules particules émises « vers l’avant », c’est-à-dire dans l’axe d’arrivée des faisceaux de protons entrants, suffisamment éloigné et protégé des autres particules émises qui, beaucoup plus nombreuses, constitueraient un bruit de fond insoutenable. Les expériences principales du LHC cherchent des particules nouvelles caractérisées par une masse très élevée et produits à grand angle par rapport aux collisions. Ici, au contraire, on se focalise sur les petits angles.

La technique de détection est originale, bien que ressemblant à celle choisie par OPERA. Elle est fondée sur un sandwich de tranches de matière dense constituée de plomb et tungstène dans lesquels ont lieu les interactions, séparées par des plans d’émulsions, similaires aux films photo d’antan, qui sont capables de mesurer les traces de toutes les particules secondaires engendrées à 10 microns près.

Le test préparatoire de FASER s’achève : il a réussi à mettre en évidence un total de six interactions de neutrinos du type commun νe et νμ ce qui valide la technique utilisée. Les physiciens espèrent accumuler au cours des prochaines années un échantillon d’environ 10 000 interactions dans une gamme d’énergie encore inexplorée où les neutrinos détectés dépasseront le TeV, ce qui permettra des mesures de probabilité d’interactions inédites.

Parmi cet échantillon, il est prédit la présence de quelques dizaines de neutrinos de l’espèce rare ντ, ce qui triplera la moisson connue aujourd’hui. C’est encore peu, mais cela améliorera la connaissance encore très partielle de cette particule si difficile à mettre en évidence, spécialement dans la région d’énergie très supérieure explorée pour la première fois. L’expérience FASER a peu de chance de révéler une surprise, mais elle amènera sa petite brique supplémentaire dans l’analyse des propriétés de ces fascinantes particules.

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