Première détection de neutrinos dans un collisionneur de particules —

Les neutrinos sont des particules fondamentales qui ont joué un rôle important dans la phase primitive de l’univers. Ils sont essentiels pour en savoir plus sur les lois fondamentales de la nature, y compris la façon dont les particules acquièrent de la masse et pourquoi il y a plus de matière que d’antimatière. Bien qu’elles soient parmi les particules les plus abondantes de l’univers, elles sont très difficiles à détecter car elles traversent la matière sans presque aucune interaction. Elles sont donc souvent appelées “particules fantômes”.

Les neutrinos sont connus depuis plusieurs décennies et ont joué un rôle très important dans l’établissement du modèle standard de la physique des particules. Mais la plupart des neutrinos étudiés par les physiciens jusqu’à présent sont des neutrinos de basse énergie. Auparavant, aucun neutrino produit dans un collisionneur de particules n’avait jamais été détecté par une expérience. Aujourd’hui, une équipe internationale comprenant des chercheurs du Laboratoire de physique des hautes énergies (LHEP) de l’Université de Berne a réussi à le faire. Grâce au détecteur de particules FASER du CERN à Genève, l’équipe a pu détecter des neutrinos de très haute énergie produits par une toute nouvelle source : le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN. La collaboration internationale FASER a annoncé ce résultat le 19 mars lors de la MORIOND EW conférence à La Thuile, Italie.

FASER permet d’étudier les neutrinos de haute énergie

Les propriétés des neutrinos ont été étudiées dans de nombreuses expériences depuis leur découverte en 1956 par Clyde L. Cowan et Frederick Reines. L’une des principales expériences d’étude des neutrinos est la Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) en cours de construction aux États-Unis. L’Université de Berne est un contributeur clé. Les expériences comme DUNE sont à usage général et peuvent étudier de nombreuses propriétés des neutrinos provenant de diverses sources. Un aspect qui n’est pas couvert est celui des neutrinos de très haute énergie.

L’accélérateur à la plus haute énergie disponible est le LHC du CERN, où de nouvelles particules sont produites par deux faisceaux de protons qui s’entrechoquent à une énergie extrêmement élevée. Cependant, les neutrinos n’ont jamais été détectés dans aucun collisionneur car ils s’échappent des détecteurs existants du LHC.

L’expérience FASER a été proposée pour combler cette lacune. “Dans cette expérience, nous mesurons les neutrinos de très haute énergie produits par le collisionneur LHC au CERN. L’objectif est d’étudier comment ces neutrinos sont produits, quelles sont leurs propriétés et de rechercher des signaux de nouvelles particules”, explique Akitaka Ariga, responsable du Groupe FASER du Laboratoire de physique des hautes énergies (LHEP) de l’Université de Berne. Le LHEP fait partie du Physics Institute et du Albert Einstein Center for Fundamental Physics (AEC). “L’expérience FASER est une idée unique à l’interface entre les collisionneurs de plus haute énergie et la physique des neutrinos. Souvent, de nouvelles découvertes sont faites en adoptant de telles nouvelles approches”, explique Michele Weber, directrice du LHEP de l’Université de Berne.

Physique cachée des neutrinos ?

Pour l’observation actuelle des neutrinos, l’expérience a pris des données au LHC en 2022. L’équipe a détecté 153 événements qui sont des interactions de neutrinos avec une certitude extrêmement élevée. Les neutrinos détectés par FASER sont de la plus haute énergie jamais produite dans un laboratoire et sont similaires aux neutrinos provenant de l’espace lointain qui déclenchent des pluies de particules spectaculaires dans notre atmosphère ou sur la Terre. Ils sont donc également un outil important pour les chercheurs afin de mieux comprendre les observations en astrophysique des particules.

“Cette réalisation est une étape historique pour l’obtention d’une nouvelle source de neutrinos aux caractéristiques inexplorées”, déclare Akitaka Ariga. Le résultat présenté n’est que le tout début d’une série d’explorations. L’expérience continuera à prendre des données jusqu’à la fin de 2025. “Il pourrait y avoir une physique cachée dans les neutrinos à haute énergie”, explique Akitaka Ariga.

Ce projet a reçu un financement du Conseil européen de la recherche (ERC) dans le cadre du programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne (Accord de subvention n° 101002690, FASERnu)