Mieux comprendre la physique de notre univers —

Le rapport final de l’expérience a été publié dans Lettres d’examen physique en février.

Les neutrinos – des particules subatomiques semblables à un électron mais qui n’ont pas de charge électrique – sont les deuxièmes particules les plus abondantes dans l’univers après la lumière. Cependant, ce sont certaines des particules les plus difficiles à mesurer car elles n’interagissent pas comme les autres particules.

“Les neutrinos ont un impact profond sur l’univers et la physique à toutes les échelles imaginables, nous surprenant au niveau de l’interaction des particules et ayant un large impact à travers les échelles cosmiques”, a déclaré Walter Pettus, professeur adjoint de physique à l’IU College of Arts. et Sciences. “Mais ce sont aussi les plus frustrants à étudier car nous en savons tellement sur eux, mais nous avons tellement de lacunes.”

Le démonstrateur Majorana, une collaboration de 60 chercheurs de 24 institutions, a été conçu pour combler plusieurs de ces lacunes en même temps, en sondant les propriétés les plus fondamentales des neutrinos.

Un aspect qu’ils espéraient observer était de savoir si le neutrino pouvait être sa propre antiparticule – une particule subatomique de même masse mais avec une charge électrique opposée. Puisque le neutrino n’est pas chargé, c’est la seule particule de l’univers qui pourrait être sa propre antiparticule. Comprendre cela donnerait un aperçu de la raison pour laquelle le neutrino a une masse en premier lieu – des informations qui auraient des impacts étendus sur la compréhension de la formation de l’univers.

Pour déterminer si le neutrino est sa propre antiparticule, les chercheurs ont dû observer un événement rare appelé désintégration double bêta sans neutrino. Cependant, ce processus prend un seul atome au moins 10²⁶ années — significativement plus long que l’âge de l’univers. Au lieu de cela, ils ont choisi d’observer près de 10²⁶ atomes pendant six ans.

Pour observer cette décomposition incroyablement rare, les chercheurs avaient besoin d’un environnement parfait. Dans l’installation de recherche souterraine de Sanford dans les Black Hills du Dakota du Sud, située à un mile sous terre, ils ont construit l’un des environnements les plus propres et les plus silencieux de la planète. Des détecteurs extrêmement sensibles étaient constitués d’un germanium de haute pureté et étaient emballés dans un blindage en plomb de 50 tonnes et entourés de matériaux d’une propreté sans précédent. Même le cuivre utilisé a été cultivé sous terre dans leur laboratoire avec des niveaux d’impuretés si bas qu’ils ne pouvaient pas être mesurés.

Pettus et une équipe d’étudiants de l’UI étaient principalement responsables de l’analyse des données de l’expérience. L’étudiante diplômée Nafis Fuad, le premier cycle Isaac Baker, la deuxième année Abby Kickbush et Jennifer James, une étudiante du programme d’expériences de recherche pour les étudiants de premier cycle, ont participé au projet. Leur objectif a été de comprendre la stabilité de l’expérience, d’analyser les détails des formes d’onde enregistrées et de caractériser les arrière-plans.

“C’est comme chercher une petite aiguille dans une très, très, très grosse botte de foin – vous devez soigneusement vous débarrasser de tous les foins (c’est-à-dire les arrière-plans) possibles, et vous ne savez même pas s’il y a réellement une aiguille là-dedans. la première place ou pas », a déclaré Fuad. “C’est très excitant de faire partie de cette recherche.”

Bien que les chercheurs n’aient finalement pas observé la désintégration qu’ils espéraient, ils ont découvert que l’échelle de désintégration du neutrino est plus longue que la limite qu’ils lui ont fixée, qu’ils testeront plus avant au cours de la prochaine phase de l’expérience. En outre, ils ont enregistré d’autres résultats scientifiques – allant de la matière noire à la mécanique quantique – qui aident à mieux comprendre l’univers.

Grâce au projet, les chercheurs ont prouvé que les techniques qu’ils utilisaient pouvaient être utilisées à une échelle beaucoup plus grande dans une recherche potentiellement révolutionnaire qui pourrait aider à expliquer l’existence de la matière dans l’univers.

“Nous n’avons pas vu la désintégration que nous recherchions, mais nous avons relevé la barre pour savoir où rechercher la physique que nous recherchons”, a déclaré Pettus. ” Fidèle à son nom, le démonstrateur a avancé des technologies critiques que nous exploitons déjà pour la prochaine phase de l’expérience en Italie. Nous n’avons peut-être pas encore brisé notre image de la physique, mais nous avons certainement repoussé les horizons, et je suis très ravis de ce que nous avons accompli.”

La prochaine phase du projet, appelée LEGEND-200, a déjà commencé à prendre des données en Italie, avec des plans pour s’étaler sur les cinq prochaines années. Les chercheurs visent à observer la désintégration se produisant à une sensibilité de magnitude supérieure à celle du démonstrateur Majorana. Au-delà de cela, grâce au soutien du Département américain de l’énergie, l’équipe conçoit déjà l’expérience qui lui succédera, LEGEND-1000.

Pettus est enthousiasmé par l’avenir de ce travail et a hâte d’impliquer davantage d’étudiants dans le projet, à la fois dans l’analyse des données et le développement du matériel pour LEGEND-1000.

“Si nous découvrons que le neutrino est sa propre antiparticule, il y aura toujours du sol sous nos pieds et des étoiles dans le ciel, et notre compréhension de la physique ne change pas la réalité des lois physiques qui ont toujours régi et continuent de régir notre univers, ” dit Pettus. “Mais savoir ce qu’il y a là-bas au niveau le plus fondamental et comment l’univers fonctionne nous donne un monde plus riche et plus beau dans lequel vivre – ou peut-être juste plus étrange – et cette poursuite est fondamentalement humaine.”

Le démonstrateur Majorana a été géré par le laboratoire national d’Oak Ridge pour le bureau de physique nucléaire du département américain de l’énergie, avec le soutien de la National Science Foundation.