Une équipe à laquelle participent des chercheurs de l'Université de Berne a détecté pour la première fois des neutrinos de haute énergie produits lors d'une collision de particules dans le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN. Cette découverte permettra d'approfondir la compréhension de ces particules élémentaires, qui comptent parmi les plus courantes dans l'univers. Et elle pourra contribuer à répondre à la question de savoir pourquoi il y a plus de matière que d'antimatière.
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Les neutrinos sont des particules élémentaires qui ont joué un rôle important dans les premières phases de l'univers. Ils sont la clé pour en savoir plus sur les lois fondamentales de la nature, comme la façon dont les particules acquièrent une masse et pourquoi il y a plus de matière que d'antimatière dans l'univers. Bien qu'ils fassent partie des particules les plus courantes de l'univers, les neutrinos sont très difficiles à étudier car ils interagissent rarement avec d'autres matières. C'est pourquoi ils sont souvent appelés "particules fantômes".
Leur existence est connue depuis plusieurs décennies, et les neutrinos ont joué un rôle très important dans l'établissement du modèle standard de la physique des particules. Mais la plupart des neutrinos étudiés jusqu'à présent par les physiciens étaient des neutrinos de basse énergie, générés dans des installations spécialement conçues à cet effet. Jusqu'à présent, il n'avait jamais été possible de détecter un neutrino généré lors d'une collision de particules dans un accélérateur de particules à haute énergie. C'est ce qu'a réussi à faire une équipe internationale avec la participation de chercheurs du Laboratoire de physique des hautes énergies (LHEP) de l'Université de Berne. Grâce au détecteur de particules FASER du CERN à Genève, l'équipe a pu détecter pour la première fois des neutrinos de très haute énergie produits par une nouvelle source : le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN. Ce résultat a été annoncé par la collaboration internationale FASER le dimanche 19 mars 2023 lors du MORIOND EW-L'organisation de la conférence de La Thuile, en Italie, a été annoncée.
Depuis leur découverte en 1956 par les physiciens Clyde L. Cowan et Frederick Reines, les propriétés des neutrinos ont fait l'objet de nombreuses expériences. L'une des expériences de pointe est le Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), en cours de construction aux États-Unis. L'Université de Berne y apporte une contribution contribution essentielle. Les expériences telles que DUNE sont conçues pour étudier de nombreuses propriétés différentes des neutrinos provenant de différentes sources. Cependant, ces expériences ne sont pas adaptées aux neutrinos de très haute énergie.
Le LHC du CERN, par exemple, est capable de produire ces particules de haute énergie en faisant entrer en collision deux faisceaux de particules d'une énergie extrêmement élevée. Mais jusqu'à présent, les neutrinos n'ont jamais été détectés dans un accélérateur de particules comme le LHC, car ils échappent aux grands détecteurs sans laisser de traces.
C'est pour combler cette lacune que l'expérience FASER a vu le jour. "Dans l'expérience FASER, nous étudions les neutrinos produits à très haute énergie par le LHC au CERN. L'objectif est de découvrir comment ces neutrinos sont produits, d'étudier leurs propriétés ainsi que de rechercher de nouvelles particules élémentaires", explique Akitaka Ariga, responsable du groupe FASER au Laboratoire de physique des hautes énergies (LHEP) de l'Université de Berne, qui fait partie de l'Institut de physique et du Albert Einstein Center for Fundamental Physics (AEC). "L'expérience FASER représente une idée unique, à l'interface entre les accélérateurs de particules et la physique des neutrinos. Ce sont souvent ces nouvelles approches qui permettent de faire de nouvelles découvertes", explique Michele Weber, directeur du LHEP de l'Université de Berne.
Pour l'observation actuelle des neutrinos, l'équipe FASER a analysé les données enregistrées au LHC en 2022. L'équipe a pu identifier 153 événements dont la probabilité d'être des interactions de neutrinos est extrêmement élevée. Ces neutrinos ainsi découverts par FASER sont les plus énergétiques jamais produits en laboratoire. Ils ressemblent aux neutrinos qui frappent la Terre sous forme de rayons cosmiques et qui déclenchent des "pluies de particules" dans l'atmosphère ou sur la Terre. C'est pourquoi ils constituent également un outil permettant aux chercheurs de mieux comprendre les observations en physique des astroparticules.
"Cette découverte est une étape importante, car nous ouvrons une source de neutrinos aux propriétés inexplorées", explique Akitaka Ariga. Le résultat qui vient d'être présenté n'est que le début d'une série d'études qui seront menées. L'expérience FASER enregistrera des données jusqu'à la fin 2025. "Peut-être que les neutrinos de haute énergie nous permettront de découvrir une 'physique inexplorée' jusqu'à présent", conclut Akitaka Ariga.
L'Université de Berne dirige l'expérience FASERnu
L'expérience FASER se compose du détecteur FASER, spécialement conçu pour la recherche de nouvelles particules élémentaires, comme les candidats à la matière noire (photons sombres), et du détecteur de neutrinos FASERnu. Ce détecteur étudie les collisions de particules qui ont lieu au centre du grand détecteur de particules ATLAS du Large Hadron Collider (LHC) au CERN. Un groupe de recherche dirigé par Michele Weber participe au détecteur ATLAS. Le groupe de recherche d'Akitaka Ariga est déjà impliqué dans l'expérience FASER depuis sa conception et dirige l'expérience FASERnu, qui recueillera des données entre 2022 et 2025. Le détecteur FASERnu permettra d'étudier les propriétés des trois différents types de neutrinos (neutrinos électroniques, muoniques et tauiques) avec une précision inégalée.
Plus d'informations sur FASERnu (en anglais)
Plus d'informations sur ATLAS (en anglais)
20.03.2023