Interaction entre un neutrino et le noyau d’un atome
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Pour la première fois, les chercheurs observent l’interaction entre un neutrino et le noyau d’un atome. Et ils ont utilisé le plus petit détecteur au monde.
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En 1974, un physicien de Fermilab avait prédit une nouvelle façon pour les neutrinos d’interagir avec la matière. Plus de 4 décennies plus tard, une équipe de physiciens a construit le plus petit détecteur de neutrinos au monde pour observer cette interaction d’un neutrino avec le noyau d’un atome. Les neutrinos sont difficiles à étudier, car ils interagissent à peine avec la matière. Mais un événement encore plus rare est connu comme une diffusion élastique cohérente entre le noyau et le neutrino qui se produit lorsqu’un neutrino interagit avec le noyau d’un atome.
La COHERENT Collaboration, qui comprend les physiciens de l’UChicago, a détecté le processus de diffusion en utilisant un détecteur qui est si petit et léger qu’un chercheur pourrait le transporter. Leurs résultats, qui confirment la théorie de Daniel Freedman de Fermilab, ont été publiés dans la revue Science.
Pourquoi a-t-il fallu 43 ans pour observer cette interaction selon Juan Collar, co-auteur et professeur de physique d’UChicago. L’interaction est très subtile. Freedman n’avait eu aucune confirmation expérimentale et il écrivait à l’époque : Notre hypothèse est peut-être un acte d’arrogance, car les contraintes du taux d’interaction et de résolution posent de graves difficultés expérimentales.
Bjorn Scholz (gauche) et Grayson Ridge (droite) installent le plus petit des détecteurs de neutrinos dans la “ruelle” des neutrinos au Spallation Neutron Source – Crédit : Juan Collar/University of Chicago
Quand un neutrino frappe le noyau d’un atome, il crée un petit rebond qui est difficilement mesurable. La probabilité de détection de cette interaction avec les neutrinos augmente quand on crée un détecteur à partir d’éléments lourds tels que l’iode, le césium ou le xénon. Mais il y a un prix à payer puisque le rebond nucléaire minuscule, qui en résulte, devient plus difficile à détecter à mesure que le noyau devient plus lourd. Imaginez que vos neutrinos sont des balles de ping-pong qui frappent une boule de bowling. Ils ne donneront qu’une petite impulsion à cette boule de bowling selon Collar.
Pour détecter ce petit recul, Collar et ses collègues ont découvert que le matériau idéal est un cristal d’iodure de césium dopé au sodium. La découverte a incité les scientifiques à abandonner les grands détecteurs de neutrinos pour créer un détecteur d’une dimension à celle d’un grille-pain.
Pas besoin d’un grand laboratoire
Le détecteur d’une dimension de 10 x 33 centimètres, utilisés pour produire les résultats, ne pèse que 14,5 kilogrammes. En comparaison, les grands observatoires de neutrinos dans le monde pèsent des milliers de tonnes. Vous n’avez pas besoin de construire un laboratoire gigantesque selon Bjorn Scholz dont la thèse contiendra les résultats de l’étude. Nous pouvons désormais réfléchir à la construction d’autres petits détecteurs qu’on pourra utiliser pour surveiller le flux de neutrinos dans les centrales nucléaires. Vous pouvez mettre un petit détecteur à l’extérieur pour mesurer les neutrinos sur place.
De même, les physiciens de neutrinos sont intéressés pour utiliser cette technologie pour mieux comprendre les propriétés de cette particule mystérieuse. Les neutrinos sont l’une des particules les plus énigmatiques selon Collar. Nous ignorons beaucoup de choses à leur sujet. Nous savons qu’ils ont de la masse, mais nous ignorons sa valeur.
Grâce à la mesure de la diffusion cohérente élastique entre le neutrino et le noyau, les physiciens espèrent répondre à ces questions. Par exemple, le papier impose des limites aux nouveaux types d’interactions entre le neutrino et le quark. Les résultats ont également des implications dans la recherche de particules massives interagissant faiblement (WIMPs). Les WIMP sont des particules candidates pour la matière noire qui représente 85 % de la masse de l’univers. Le processus que nous avons observé avec les neutrinos est le même que dans tous les détecteurs WIMP selon Collar.
La “ruelle” des neutrinos
La COHERENT Collaboration, qui comprend 90 scientifiques dans 18 établissements, a mené sa recherche d’une diffusion cohérente des neutrinos au Spallation Neutron Source au Oak Ridge National Laboratory dans le Tennessee. Les chercheurs ont installé leurs détecteurs dans un couloir de sous-sol qui est devenu la “ruelle des neutrinos”. Cette ruelle est totalement protégée par du fer et du béton contre la zone du faisceau radioactif de neutrons qui se trouve seulement 20 mètres.
Le Spallation Neutron Source au Oak Ridge National Laboratory est une usine à neutrons qui produit également des neutrinos – Crédit : Oak Ridge National Laboratory, U.S. Dept. of Energy; photographer Jason Richards
Cette ruelle de neutrinos a résolu un problème majeur pour la détection des neutrinos. Elle détecte presque tous les neutrons générés par le Spallation Neutron Source, mais les neutrinos peuvent encore atteindre les détecteurs. Cela permet aux chercheurs de voir clairement les interactions des neutrinos dans leurs données.
Le Spallation Neutron Source génère les faisceaux de neutrons les plus intenses au monde pour la recherche scientifique et le développement industriel. Dans le processus de génération de neutrons, le SNS produit également des neutrinos. Vous pouvez utiliser un type de détecteur de neutrinos plus sophistiqué, mais si vous n’avez pas la bonne source de neutrinos, alors vous ne verriez pas ce processus selon Collar. C’était la combinaison d’une source et d’un détecteur idéal qui a permis de réussir l’expérience.
Le développement d’un détecteur de neutrinos compact met en évidence une hypothèse de Leo Stodolsky en 1984. Stodolsky et Andrzej Drukier, les deux de l’Institut Max Planck, ont noté qu’un détecteur cohérent serait relativement petit et compact contrairement aux détecteurs de neutrinos contenant des milliers de gallons d’eau ou de scintillateurs liquides. Dans leurs travaux, ils avaient prédit l’arrivée des technologies de neutrinos par la miniaturisation des détecteurs.
Source : Science (http://dx.doi.org/10.1126/science.aao0990)
