Les expériences de détection de neutrinos au Fermilab

Chloé Gaudreau, Louis Haeberlé et Marie-Pier Labonté

Département de Physique, Génie Physique et Optique, Université Laval, Québec

Résumé:   La recherche sur les neutrinos est un domaine de la physique en pleine expansion. Dans ce travail, après un bref exposé de l’histoire de ces particules et de leurs propriétés, nous présentons plusieurs expériences (MINOS, NOvA, MINERvA) menées par le laboratoire Fermilab, qui est un des pôles mondiaux de la recherche sur les neutrinos. Nous décrivons le montage expérimental, les principes physiques du fonctionnement des expériences, et les résultats obtenus jusqu’à présent. Finalement, nous présentons des expériences en cours de construction (DUNE, MicroBooNE) qui devraient bientôt commencer à fournir des résultats.


Table des matières

1 Introduction
2 Le laboratoire Fermilab (Chloé Gaudreau)
3 Historique du neutrino (Louis Haeberlé)
4 La physique des neutrinos et le Modèle Standard (Louis Haeberlé)
 4.1 Le Modèle Standard
 4.2 Les propriétés des neutrinos
  4.2.1 Charge
  4.2.2 Masse
  4.2.3 Hélicité
  4.2.4 Fermions de Majorana/Fermions de Dirac
5 Principes de la détection des neutrinos
 5.1 Interactions de courant chargé (Chloé Gaudreau)
 5.2 Interactions de courant neutre (Marie-Pier Labonté)
6 Théorie sur l’oscillation des neutrinos (Chloé Gaudreau)
7 Violation de la symétrie CP (Marie-Pier Labonté)
8 Le projet NuMI (Marie-Pier Labonté)
9 Les expériences NOνA et MINOS
 9.1 Les détecteurs de NOvA et MINOS (Chloé Gaudreau)
 9.2 La détection par scintillation (Chloé Gaudreau)
 9.3 NOvA (Chloé Gaudreau)
  9.3.1 Buts de l’expérience NOvA
  9.3.2 Résultats de NOvA
 9.4 MINOS (Marie-Pier Labonté)
  9.4.1 Les objectifs de MINOS
  9.4.2 Composition de l’expérience MINOS
  9.4.3 Mesure des interactions des neutrinos dans l’expérience de MINOS
  9.4.4 Les résultats des expériences de MINOS
10 L’expérience MINERvA (Louis Haeberlé)
 10.1 Structure du détecteur
 10.2 Buts de l’expérience MINERvA
  10.2.1 Résultats de l’expérience MINERvA
11 Présentation de l’expérience MicroBooNE
 11.1 Buts (Chloé Gaudreau)
 11.2 Théorie (Chloé Gaudreau)
 11.3 Physique des détecteurs (Marie-Pier Labonté)
 11.4 Résultats (Marie-Pier Labonté)
12 Expériences futures : DUNE (Marie-Pier Labonté)
13 Conclusion

1. Introduction

Les neutrinos sont des particules présentes en très grand nombre dans l’Univers : un flux de plus de 6.51010 neutrinos/cm2s traverse la Terre en permanence [7]. Or, malgré leur abondance, ils sont parmi les particules les moins bien comprises, car ils sont plutôt difficiles à détecter, donc à étudier. Les physiciens ne se penchent sur le sujet que depuis les années 30, c’est-à-dire depuis que Wolfgang Pauli a postulé leur existence. Pour cette raison, l’étude des neutrinos est un sujet en plein essor ; beaucoup de laboratoires et de physiciens choisissent ce sujet comme domaine.

Nous avons nous aussi décidé de porter notre attention sur ce sujet afin de mieux comprendre ces particules qui restent mystérieuses à bien des égards. Plus précisément, nous avons fait ce projet à propos de la nature du neutrino et de sa détection. Nous avons aussi choisi le Fermilab comme sujet, car il s’agit du plus grand laboratoire de neutrinos au monde.

Dans les pages qui suivent, nous présentons un bref historique des neutrinos et du Fermilab, la physique des neutrinos et le modèle standard, le principe de détection des neutrinos ainsi que les expériences du Fermilab, présentes et futures.

2. Le laboratoire Fermilab (Chloé Gaudreau)

Situé proche de Batavia en Illinois, le Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) fut fondé en 1967. Il fut nommé en l’honneur d’Enrico Fermi, le célèbre physicien italien qui fut le premier à construire un réacteur nucléaire. Après le CERN, le Fermilab est probablement le laboratoire de physique des particules le plus connu au monde. Le Fermilab emploie presque 2000 employés de partout dans le monde. Les buts premiers du Fermilab sont les avancements de la physique des neutrinos, tel que présenté dans ce texte, et le développement de la physique des collisions de particules aux États-Unis. Depuis 2013, monsieur Nigel Lockyer, un physicien écossais, est le directeur du Fermilab.

Le Fermilab est présentement considéré comme le meneur en recherche sur les neutrinos. D’ailleurs, il est reconnu pour avoir découvert l’existence du neutrino Tau en 1997. Le Laboratoire travaille présentement sur le projet DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), qui sera présenté dans une prochaine section. Lorsque l’expérience DUNE sera complétée, elle sera l’expérience sur les neutrinos et la désintégration de protons la plus importante au monde.

Avec un budget de 345M$, le laboratoire gèrent une multitude d’expériences de physique des particules. Parmi celles-ci, nous retrouvons le DES (Dark Energy Survey), le CDMS (Cryogenic Dark Matter Search), le MicroBooNE (Microbooster Neutrino Experiement) ainsi que plusieurs autres expériences sur les neutrinos [19].

3. Historique du neutrino (Louis Haeberlé)

L’existence du neutrino fut d’abord postulée par Wolfgang Pauli en 1930 pour expliquer une anomalie observée dans la désintégration radioactive β±[9]. Dans une désintégration β±, un proton se transforme en neutron ou vice-versa, et un électron (ou un positron) est émis pour conserver la charge. Par conservation de l’énergie, on s’attendrait à ce que l’électron/positron émis ait une énergie qui correspond à la différence de masse entre les noyaux initial et final ; le spectre d’énergie des électrons/positrons émis devrait comporter un seul pic étroit à cette valeur. Cependant, la forme observée du spectre était une courbe continue, avec un maximum à une énergie en-deçà de celle attendue (Figure 1). De plus, la désintégration β± semblait ne pas conserver le moment angulaire, car la somme des spins des particules initiales et finales ne correspondait pas.


PIC

FIGURE 1: Spectre d’énergie des électrons issus de la désintégration β-[5]


Pour expliquer ce résultat (une apparente violation des lois de conservation de l’énergie et du moment angulaire), deux théories furent avancées : d’un côté, Niels Bohr proposait que les lois de conservations étaient violées par la désintégration β±. De l’autre coté, Wolfgang Pauli proposait que la désintégration, en plus de produire un électron/positron, produisait aussi une particule électriquement neutre, de spin 1
2 et de masse nulle, qu’il nomma le neutron. Après que James Chadwick eut découvert une particule neutre massive dans le noyau atomique, qu’il nomma également le neutron, Enrico Fermi proposa le nom "neutrino" ("petit neutron").

En 1934, Fermi formula mathématiquement une théorie de la désintégration β±, postulant l’existence d’une quatrième force fondamentale, la force faible. Dans la même année, Bethe et Peirls calculèrent que la probabilité d’interaction du neutrino était si petite qu’un neutrino aurait une distance moyenne de propagation sans interaction avec la matière (mean free path) de l’ordre de plusieurs dizaines d’années-lumières [5]. Il semblait donc impossible de pouvoir un jour observer directement le neutrino, à moins de disposer d’un flux de neutrinos extrêmement intense. En 1938, Bethe publia un article sur la nucléosynthèse stellaire, qui avançait que les réactions nucléaires qui alimentent la chaleur des étoiles génèrent des neutrinos en grande quantité. Avec un détecteur suffisament grand, il serait donc peut-être possible de détecter des neutrinos solaires.

Cependant, vu l’extrême difficulté associée à la détection directe, un grand nombre d’expériences furent conçues pour amasser des preuves indirectes de son existence, en analysant la quantité de mouvement de recul des noyaux subissant une désintégration β. Les résultats de ces expérience aidèrent les physiciens à construire le modèle décrivant les interactions faibles.

Avec la découverte du muon dans les rayons cosmiques en 1937, et les observations montrant qu’il se désintégrait en un électron et que le spectre d’énergie de cet électron était continu (1941 et 1948), les physiciens postulèrent qu’il devait exister un second type de neutrino : le neutrino muonique.

Finalement, en 1956, Clyde Cowan et Frederick Reines réalisèrent une expérience qui permit d’observer directement les interactions d’un neutrino avec la matière [44]. En utilisant le flux d’antineutrinos électroniques émis par le réacteur nucléaire de Savannah River en Caroline du Sud (51013 neutrinos/cm2s, près de 1000 fois plus intense que le flux de neutrinos solaires) et un détecteur à scintillation contenant 4200L de liquide scintillateur et 400L de solution de cadmium pour la capture des neutron émis (voir la section "Interactions de courant chargé"). La masse énorme (pour l’époque) du détecteur et l’utilisation d’électronique avancée pour discriminer les événements de diffusion de neutrinos avec le bruit de fond (provenant du réacteur et des rayons cosmiques) permirent d’observer un taux de détection de neutrinos correspondant bien à celui prévu par la théorie de la désintégration β de Fermi.

La prochaine découverte importante eut lieu en 1962, avec l’observation directe par Lederman, Schwartz et Steinberger du neutrino muonique (produit par la désintégration de muons générés dans l’accélérateur AGS du Brookhaven National Laboratory). Cela permit de confirmer que les neutrinos électronique et muonique étaient bien des particules différentes, ce qui était soupçonné mais non démontré [5].

Un problème important, et qui ne fut résolu que récemment, fut l’observation du déficit de neutrinos solaires par Ray Davis et John Bahcall [14]. En 1967, près de 1.5km sous terre dans la mine d’or de Homestake, Davis et Bahcall construisirent un gigantesque détecteur (378000L de liquide détecteur) dans le but de mesurer le flux de neutrinos solaires par une méthode radiochimique. Un neutrino qui interagirait avec un noyau de chlore dans le liquide détecteur transmuterait ce dernier un noyau instable d’argon-37, dont la désintégration peut être mesurée. Davis et Bahcall mesurèrent un flux de presque exactement un tiers de la valeur attendue, et cela malgré un temps d’acquisition de plusieurs années, pendant lesquelles ils multiplièrent les tests de contrôle et les améliorations à l’équipement pour augmenter la sensibilité et réduire le bruit de fond. C’est seulement dans les années 1990 que les résultats de Davis et Bahcall furent confirmés par d’autres équipes de recherche : l’expérience Kamiokande au Japon (1990), l’expérience SAGE en Russie (1991) et l’expérience GALLEX en Italie (1992).

Une des théories avancées pour expliquer le déficit de neutrinos solaires est la théorie de l’oscillation des neutrinos [5], d’abord proposée par Bruno Pontecorvo en 1957, et développée mathématiquement par Maki, Nakagawa et Sakata en 1962. Cette théorie postule que si les neutrinos ont une masse non-nulle (ce qui n’était pas le cas dans le Modèle Standard à l’époque), il est possible qu’ils changent de saveur au cours de leur propagation dans l’espace et à travers la matière (voir la section "Théorie sur l’oscillations des neutrinos"). Les neutrinos solaires, tous créés comme des neutrinos électroniques au départ, pourraient ainsi, lors de leur parcours vers la Terre, partiellement se transformer en neutrinos muoniques ou tauiques. Comme les expériences de Homestake, Kamiokande, etc. mesurent seulement le flux de neutrinos électroniques, elles ne peuvent pas détecter les neutrinos qui ont oscillé vers d’autres saveurs, et mesurent un déficit.

Il a fallu attendre jusqu’en 2001 pour que le Sudbury Neutrino Observatory confirme la théorie d’oscillation des neutrinos [4], grâce à une mesure simultanée du flux de neutrinos électroniques et du flux de neutrinos de toutes les saveurs. Leurs résultats ont reproduit le ratio de 1/3 observé par les autres expériences, en plus de fournir une valeur pour le flux total qui correspondait à celle calculée avec le taux de réactions nucléaires dans le soleil.

Depuis la confirmation que l’oscillation des neutrinos est possible, plusieurs expériences ont débuté pour mesurer les paramètres de ces oscillations, et en déduire des information sur la masse des neutrinos. Deux de ces expériences, NOvA et MINOS, seront décrites dans ce texte.

Le dernier neutrino à être détecté, le neutrino tauique, fut observé directement en 1997 par l’expérience DONUT du Fermilab [5]. De la même manière que pour l’expérience de Brookhaven, les neutrinos tauiques détectés provenaient de la désintégration de mésons charmés créés par un accélérateur de particules (le Tevatron).

La plupart des recherches sur les neutrinos aujourd’hui porte sur l’étude des oscillations de neutrinos, et sur la mesure précise des sections efficaces d’interaction des neutrinos avec divers matériaux. Ces expériences permettent d’assigner des valeurs numériques aux paramètres des modèles décrivant les neutrinos et l’interaction faible.

4. La physique des neutrinos et le Modèle Standard (Louis Haeberlé)

Pour pouvoir expliquer les propriétés du neutrino et les façons dont ils peuvent interagir avec la matière, il est nécessaire d’exposer brièvement les concepts essentiels du Modèle Standard de la physique des particules.

4.1. Le Modèle Standard

Le Modèle Standard est une théorie qui décrit les particules élémentaires composant la matière et la façon dont elles interagissent entre elles (en négligeant l’interaction gravitationnelle)[37]. Mathématiquement, le Modèle Standard se base sur la théorie quantique des champs (QFT) pour représenter les particules comme des champs, et les interactions comme des lagrangiens qui doivent respecter certaines symétries pour correspondre à la réalité physique. Cependant, le traitement mathématique du Modèle Standard est à un niveau de complexité au-delà du cadre de ce travail. C’est pourquoi nous allons le décrire de façon qualitative.

Le Modèle Standard comprend douze particules élémentaires (fermions) et leurs antiparticules, cinq types de particules d’échange qui agissent comme médiateurs des forces entre les particules (bosons de jauge), et une particule qui donne leur masse aux particules massives (boson de Higgs). Les centaines d’autres particules qui ont été observées dans les collisionneurs sont des états liés de plusieurs particules élémentaires.










Catégorie
Particule / Antiparticule Symbole








Fermions
Leptons
Électron / Positron e- / e+
Muon / Antimuon μ- / μ+
Tau / Antitau τ-∕τ+
Neutrino électronique / Antineutrino électroniqueνe / νe
Neutrino muonique / Antineutrino muonique νμ / νμ
Neutrino tauique/ Antineutrino tauique ντ / ντ



Quarks
Quark down / Antiquark down d / d
Quark up / Antiquark up u /u
Quark strange / Antiquark strange s / s
Quark charm / Antiquark charm c / c
Quark bottom / Antiquark bottom b / b
Quark top / Antiquark top t / t




Bosons
Photon γ
Boson W+ W+
Boson W- W-
Boson Z Z0
Gluon g
Boson de Higgs H0









TABLEAU 1: Les particules du Modèle Standard

Toutes les interactions entre les fermions peuvent être représentées par des échanges de bosons entre ceux-ci. De plus, chaque fermion peut être entièrement décrit par une série de propriétés (nombres quantiques) qui indiquent comment il sera affecté par chacune des interactions possibles. L’exemple le plus familier est l’interaction électromagnétique : pour savoir comment un fermion va interagir électromagnétiquement, il faut connaître (entre autres) sa charge électrique, qui est un nombre quantique qui vaut, par exemple, +1 pour le positron, -1 pour le tau, etc. Pour déterminer comment une particule va interagir selon l’interaction forte, il faut connaître sa "charge colorée", qui peut être rouge, bleue ou verte (évidemment, cette notation n’a rien avoir avec la couleur telle qu’on la conçoit habituellement : il s’agit simplement d’une manière pratique de nommer les différentes valeurs possibles de la charge). De la même manière, pour déterminer comment une particule va interagir selon l’interaction faible, il faut connaître son isospin faible.

Ce ne sont pas toutes les particules qui ont toutes les charges : par exemple, les leptons ne possèdent pas de charge colorée, et ne peuvent donc pas interagir par l’interaction forte.

4.2. Les propriétés des neutrinos

Il existe trois saveurs connues de neutrinos, correspondant aux trois générations de leptons : le neutrino électronique, le neutrino muonique, et le neutrino tauique (voir le tableau 1)

4.2.1. Charge

Les neutrinos ne possèdent pas de charge électrique (ils sont électriquement neutres), ni de charge colorée. Ils ne peuvent donc pas interagir électromagnétiquement, ou par l’interaction forte. Les seules interactions que peuvent avoir les neutrinos avec la matière sont l’interaction faible et l’interaction gravitationnelle, ce qui explique qu’ils soient aussi difficiles à détecter [5].

4.2.2. Masse

Dans la formulation initiale du Modèle Standard, on supposait que les neutrinos étaient des particules sans masse. Cependant, l’observation du phénomène d’oscillation des neutrinos en 2001 a nécessité la révision de ce modèle, puisque l’oscillation n’est possible que dans le cas où les neutrinos sont des particules massives (voir la section "Théorie de l’oscillation des neutrinos"). Un des grands problèmes qui restent à résoudre en physique des neutrinos est la détermination de l’ordre et de la valeur des masses. La mesure précise des paramètres d’oscillation de neutrinos pourrait permettre de résoudre le problème.

Jusqu’à présent, les expériences d’oscillation ont permis d’approximer la magnitude de la différence entre les masses au carré des neutrinos [18] [6] :

{
  Δm2 ≈ 0.000079eV2(KamLAND,  2005)
  Δm221≈ 0.00241eV2(MINOS, 2013)
    32

De plus, des observations astrophysiques [8] ont fourni une limite supérieure à la somme des masses des trois neutrinos : i=03mi 0.320(8) eV

4.2.3. Hélicité

L’hélicité d’une particule est la projection de son spin sur sa quantité de mouvement : si le spin et la quantité de mouvement sont parallèles, l’hélicité sera droite, et si le spin et la quantité de mouvement sont antiparallèles, l’hélicité sera gauche [37]. Dans les particules sans masse, qui se déplacent à la vitesse de la lumière, l’hélicité est invariante : il n’existe pas de référentiel inertiel où la quantité de mouvement pointe dans la direction opposée (référentiel qui se déplace plus vite que la particule). Par contre, dans les particules massives (comme les neutrinos), il est possible de trouver un référentiel où l’hélicité est inversée. Comme les masses des neutrinos sont très faibles, ils voyagent à des vitesses extrêmement élevées (relativistes) ; donc même si l’inversion d’hélicité due à un changement de référentiel est théoriquement possible, elle n’a jamais été observée.


PIC

FIGURE 2: Hélicité d’une particule (Adapté d’une image de la Georgia State University)


En pratique, les neutrinos sont toujours observés avec une hélicité gauche, et les antineutrinos avec une hélicité droite [37]. Il est possible que les neutrinos d’hélicité droite et les antineutrinos d’hélicité gauche n’existent pas ; une autre hypothèse est qu’ils ne peuvent pas interagir par la force faible, et seraient donc uniquement détectables par leurs interactions gravitationnelles (de tels neutrinos, indétectables en pratique, sont nommés neutrinos stériles).

4.2.4. Fermions de Majorana/Fermions de Dirac

Il existe aussi une autre explication au fait qu’on observe uniquement les neutrinos avec une hélicité gauche et les antineutrinos avec une hélicité droite : c’est que le neutrino soit sa propre antiparticule, et que ce que nous désignons comme "neutrino" et "antineutrino" sont simplement les deux hélicités possibles de la même particule. Tous les fermions du Modèle Standard (sauf, possiblement, les neutrinos) sont ce qu’on appelle des fermions de Dirac. Cela signifie que la particule et l’antiparticule sont des particules distinctes, dont les charges électriques sont opposées. Il se pourrait que les neutrinos appartiennent à un autre type de particules, les fermions de Majorana, qui ont la propriété d’être leurs propres antiparticules (cela nécessite que la charge électrique soit nulle, puisqu’il faut que la particule soit identique à son conjugué de charge).

Une des façons de déterminer si le neutrino est un fermion de Majorana est d’observer une réaction nucléaire très rare, la double désintégration β sans émission de neutrinos [45]. On peut représenter cette réaction comme deux désintégrations β simultanées, où les antineutrinos émis s’annihilent l’un avec l’autre. Comme l’annihilation est une réaction particule-antiparticule, pour qu’un antineutrino s’annihile avec un autre antineutrino, il faut que le neutrino soit sa propre antiparticule. Plusieurs expériences tentent actuellement d’observer la double désintégration β sans émission de neutrinos mais, jusqu’à présent, celle-ci n’a jamais été observée.

5. Principes de la détection des neutrinos

Il existe deux mécanismes d’interaction des neutrinos avec la matière : l’interaction de courant chargé et l’interaction de courant neutre, qui sont toutes deux des interactions faibles.

5.1. Interactions de courant chargé (Chloé Gaudreau)

Dans certaines réactions, un lepton massif peut se transformer en un autre lepton massif, avec émission de neutrinos pour obéir aux lois de conservation, via l’échange d’un boson W±. Le processus inverse est aussi possible : un neutrino peut être absorbé par une particule, et cette dernière peut se transformer en une autre particule, avec émission des particules nécessaires pour obéir aux lois de conservation. On appelle ces interactions des interactions de courant chargé, car elles procèdent par l’échange de bosons W± qui possèdent une charge électrique.

Voici un exemple (Figure 3) d’une réaction qui procède par interaction de courant chargé : la désintégration d’un pion en antimuon et neutrino muonique, décrite par l’équation (1). Cette réaction est souvent utilisée en laboratoire pour générer des faisceaux de neutrinos : on utilise un collisionneur pour produire les pions, qui se désintègrent rapidement en neutrinos muoniques et en antimuons qu’on sépare à l’aide de forts champs magnétiques (Voir la section sur le faisceau NuMI).

 +    +
π  → μ  + νμ
(1)


PIC

FIGURE 3: Diagramme de Feynman de la désintégration du pion π+ (Image Wikipédia)


Inversement, un neutrino diffusé par une particule peut modifier celle-ci (également par l’échange d’un boson W±). Par exemple, un antineutrino électronique diffusé par un proton transforme celui-ci en neutron (en transformant l’un des quarks up du proton en un quark down), avec émission d’un positron pour respecter la conservation de la charge électrique (Figure 4).


PIC

FIGURE 4: Diagramme de Feynman de l’interaction νe+p n+e+ (Image Wikipédia)


Cette dernière réaction fut celle utilisée par Cowan et Reines en 1956 pour la première détection directe de neutrinos : en effet, ses produits sont un positron, qui va rapidement s’annihiler avec un électron du milieu ambiant (et produire une paire de photons corrélés facilement détectables), et un neutron, qu’on peut aussi détecter lors de son absorption par un noyau de cadmium. La séquence distinctive d’une détection de deux photons corrélés, suivie quelques microsecondes plus tard par la détection d’un neutron, est reconnaissable lors du traitement de données et permet d’isoler du bruit de fond les événements dus aux neutrinos. On peut donc détecter la présence du neutrino indirectement, en détectant les produits de son interaction avec la matière.

L’avantage des expériences qui utilisent les interactions de courant chargé est qu’il est possible, en analysant les particules produites par l’interaction (masse, charge) et en appliquant les lois de conservation, d’identifier la saveur du neutrino impliqué. Par exemple, la réaction νe+p n+e+ permet de détecter exclusivement les antineutrinos électroniques [41].

5.2. Interactions de courant neutre (Marie-Pier Labonté)

Un autre mode d’interaction possible des neutrinos avec la matière est l’interaction de courant neutre. Celle-ci survient lorsqu’il y a diffusion élastique d’un neutrino avec un électron. Lors de cette interaction, il y a échange d’un boson Z0 entre les particules impliquées. ([37] p.274)

Le neutrino et l’électron sont deux particules faisant partie de la famille des fermions. Tel que mentionné plus tôt, selon le Modèle Standard, lors d’une interaction entre fermions, il y a toujours échange d’un boson, plus précisément un boson de jauge. Cette catégorie de boson regroupe les particules qui sont porteuses de force : les forces fondamentales sont le résultat de l’échange de ces bosons.

Les bosons associés aux forces suivantes, placées en ordre croissant de force d’intensité, sont :

  1. la force faible, les bosons W et Z
  2. la force électromagnétique, les photons
  3. la force forte, les gluons

Pour ce qui est de la gravitation, elle n’est pas encore décrite par le Modèle Standard ; toutefois, dans certaines théories, la force gravitationnelle est expliquée par la présence du graviton (notons que l’existence de cette particule n’a toujours pas été démontrée). Nous savons que les interactions fortes et faibles ont une portée limitée (seulement au niveau des particules subatomiques), alors que l’interaction électromagnétique a une portée infinie. Cette caractéristique pourrait s’expliquer par les différences entre les bosons de jauge respectifs à chacune de ces forces. Le boson de jauge électromagnétique, le photon, est sans masse, alors que les autres bosons sont massifs. Afin de respecter la loi de la conservation de l’énergie lors de l’échange d’un boson de jauge, l’énergie associée à cet échange se doit d’être de courte durée, tel qu’énoncé par le principe d’incertitude d’Heisenberg ΔEΔt 2. La portée d’une force est donc inversement proportionnelle à la masse du boson de jauge associé [31]. Tel qu’indiqué plus haut, le boson Z est un boson de jauge et il est porteur de l’interaction faible. C’est celui-ci qui est échangé lors de l’interaction entre un neutrino et un électron, une interaction faible électriquement neutre, puisque le boson Z0 possède une charge nulle [32].

Les interactions de courant neutre respectent la règle |ΔS| = 0, soit qu’il n’y a pas de changement de saveur de la particule en jeu ([37] p.279). Ainsi, lorsque le neutrino diffuse sur l’électron, ce premier ne change pas de saveur et la charge est conservée. Le neutrino va transférer une partie de sa quantité de mouvement et de son énergie à l’électron via l’échange d’un boson Z0. Cette interaction est difficilement détectable due à la force électromagnétique beaucoup plus forte qui vient masquer la force faible.

Cette interaction a été mise en évidence pour la première fois au CERN en 1973 [12]. Le premier appareil ayant permis cette observation est la chambre à bulles. Celle-ci est un des premiers détecteurs de particules qui a été utilisé par les scientifiques. Le principe est simple : on a une cuve fermée contenant un liquide, par exemple de l’hydrogène liquide, et celui-ci est maintenu à une température au-dessus de son point d’ébullition. L’hydrogène liquide est donc dans un état instable, et lorsqu’une particule chargée entre dans la chambre, si elle interagit avec un atome d’hydrogène, elle perturbe cet état instable ; on détecte donc la formation d’une série de bulles suivant la trajectoire de ladite particule.

Une chambre à bulles a été construite au CERN, Gargamelle, dans le but d’arriver à détecter des neutrinos. Dans le cas de l’expérience Gargamelle, le liquide contenu dans la cuve était du fréon (CF3Br) à la place de l’hydrogène liquide afin d’augmenter les probabilités d’interactions des neutrinos avec la matière, puisque ce liquide a une plus grande densité [11]. Un faisceau de neutrinos irradie donc la chambre à bulles. Toutefois, comme les neutrinos ne sont pas chargés, il est impossible de détecter directement leur présence dans le liquide très chaud tel qu’expliqué plus tôt. Ce que l’on cherchait plutôt à observer sont les particules chargées qui sont mises en mouvement lors d’une interaction avec un neutrino. Ils ont pu mettre en évidence l’interaction de courant neutre avec une réaction du type décrit dans l’équation (2)

νˉμ + e→ ˉνμ+ e
(2)

Remarquons ici que, comme le neutrino ne change pas de saveur, la réaction ne peut avoir lieu qu’avec l’échange d’un autre boson que Z0 ; nous sommes bien en présence d’une interaction de courant neutre. Tous les types de neutrino (électron, muon, tauon) peuvent interagir via le courant neutre selon la réaction ci-dessus. Toutefois, la probabilité d’interaction pour le neutrino électronique est six fois plus grande que pour les deux autres types de neutrinos [49].

6. Théorie sur l’oscillation des neutrinos (Chloé Gaudreau)

L’oscillation des neutrinos est le phénomène selon lequel un neutrino créé avec une certaine saveur peut être détecté (après s’être propagé sur une longue distance) avec une saveur différente. L’oscillation de neutrinos est probablement la meilleur manière d’étudier en profondeur la nature des neutrinos. Ce changement est en fonction de la distance parcourue et de l’énergie du neutrino. Nous pouvons voir dans l’illustration suivante les ratio de saveurs de neutrinos en fonction de la distance, pour des neutrinos de 4 MeV :


PIC

FIGURE 5: Modélisation de l’oscillation de neutrino. [50]


Lors de la propagation d’un neutrino, celui-ci se trouve dans un état propre de l’opérateur hamiltonien. Ces états sont appelés des mass eigenstates ou états propres de masse, et on les note par |νi(i ={1,2,3}). Cependant, pour décrire le neutrino lors d’une interaction, il faut le représenter comme un état propre de l’opérateur d’interaction faible : ces états propres sont nommés flavor eigenstates ou états propres de saveur, notés |να(α ={e,μ,τ}), et correspondent aux saveurs (électronique, muonique, tauique) possibles des neutrinos.

Les oscillations de neutrinos viennent du fait que les états propres de l’opérateur de propagation ne sont pas des états propres de l’opérateur d’interaction : un état propre de saveur doit être exprimé comme une combinaison linéaire des états propres de masse, suivant l’équation (3), où la matrice U est la matrice de Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (matrice PMNS), qui donne les coefficients de la combinaison linéaire d’état de masse [17].

|να⟩= ∑ U* |νi⟩
       i αi
(3)

Les différents états propres de masse |νiqui forment l’état de saveur |ναont des phases. Ces phases évoluent dans le temps lors de la propagation du neutrino ; cependant, comme les masses de ces trois états sont différentes, les phases n’évoluent pas au même taux (la vitesse de propagation dépend de la masse). Il y a donc un déphasage entre les différents états propres de masse qui s’accumule avec la distance de propagation, ce qui fait osciller périodiquement l’état |να [17]

La matrice PMNS possède quatre degrés de liberté : dans sa représentation la plus courante, les quatre paramètres correspondant sont les angles de mélange qu’on note θ12, θ23, θ13 et un paramètre nommé phase de violation CP et noté δCP. Les expériences de mesure d’oscillation de neutrinos cherchent principalement à établir des valeurs (ou des plages de valeurs permises) pour ces paramètres. Cela permettrait d’établir la hiérarchie des masses (c’est-à-dire de déterminer quel est l’ordre des masses des états propres |ν1,|ν2,|ν3, et quelles sont les différences de masse Δmij2 entre les états).

7. Violation de la symétrie CP (Marie-Pier Labonté)

Dans le Modèle Standard en physique des particules, trois grandes symétries sont reconnues ; une symétrie existe quand on applique une transformation et que les lois physiques demeurent inchangées. Celles-ci sont associées aux trois transformations suivantes [47] :

  1. celle de la parité P, une transformation qui inverse le système de coordonnées d’une particule en son image miroir
  2. celle de la conjugaison de charge C, une transformation d’une particule en son antiparticule
  3. celle de l’opération T, une transformation qui inverse l’écoulement du temps

La symétrie CP est donc la combinaison des symétries C et P. Cette symétrie implique que les mêmes lois physiques s’appliquent si l’on change une particule pour son antiparticule et qu’on inverse son système de coordonnées. Par exemple, si on applique la symétrie CP à un électron allant à une vitesse de v dans le sens de l’axe des x positifs, on obtient un positron allant à une vitesse de v dans le sens de l’axe des x négatifs ([47] p.45). On a longtemps pensé que cette symétrie devait être respectée.

C’est en 1964 avec la désintégration de kaons neutres qu’on a pu démontrer que la symétrie CP n’est pas rigoureusement respectée dans les interactions faibles. En effet, les kaons peuvent se transformer en leur antiparticule et vice-versa ; par contre les probabilités associées à ces transformations ne sont pas les mêmes dans les deux cas.

Dans le cas des neutrinos, on sait qu’ils ne respectent pas les symétries C et P prisent séparément alors qu’en considérant la combinaison des deux, la symétrie CP est respectée. Toutefois, tels qu’expliqué dans la section "Les propriétés des neutrinos", les neutrinos sont fortement associés à la force faible ; on s’attendrait donc à observer une violation de la symétrie CP par les neutrinos. Cette observation n’a toujours pas été faite à l’heure actuelle ; plusieurs expériences dans le monde ont présentement pour but de déceler cette violation par les neutrinos. L’angle δCP est le paramètre décrivant la violation de la symétrie CP. Lorsque δCP = , n étant un nombre entier, on sait théoriquement que la symétrie CP n’est pas respectée dans le phénomène de l’oscillation des neutrinos [13]. La recherche sur la violation de la symétrie CP permettra peut-être de répondre à la question à savoir si la matière et l’antimatière respectent les mêmes lois physiques.

8. Le projet NuMI (Marie-Pier Labonté)

Les expériences au Fermilab portent sur l’étude des neutrinos et leurs propriétés. Pour ce faire, le projet NuMI, Neutrinos at the Main Injector, a été développé pour générer un flux intense de neutrinos de haute énergie. Plusieurs étapes sont nécessaires afin de générer des neutrinos en bout de ligne. La figure 6 illustre le schéma de l’expérience NuMI, ses différentes composantes qui seront décrites ci-dessous.


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FIGURE 6: Schéma de l’expérience NuMI [42]


Tout d’abord, un faisceau de proton de 1 mm de diamètre est projeté sur une cible composée de graphite, de dimensions 6.4x15Õ940 mm [35]. Ces protons proviennent du Fermilab Main Injector (FMI) qui est un accélérateur de particules. Le projet FMI a été développé dans le but de construire un accélérateur de 150 GeV permettant de fournir un faisceau de haut débit de protons ayant une énergie de 120 GeV [25]. De l’interaction des protons avec les atomes de carbone en résulte la production de nouvelles particules ; on se retrouve donc avec un nouveau faisceau composé de pions et de kaons.

Ensuite, les particules chargées sont triées à l’aide de deux cornes magnétiques. Les cornes sont composées de conducteurs de forme parabolique qui agissent donc comme des lentilles convergentes pour les particules positives, la longueur focale dépendant de la quantité de mouvement des particules produites. Ainsi, les pions et kaons chargés positivement sont focalisés alors que les particules chargées négativement vont diverger. Le faisceau composé alors uniquement de particules positives est dirigé dans un long tuyau de désintégration de 675 m. La longueur du tuyau est juste assez grande pour qu’un pion ayant une énergie de 10 GeV ait le temps de se désintégrer une fois. Donc, la désintégration de la plupart des pions et kaons pourra se faire sans problème dans le tuyau prévu à cet effet [42].

Ces particules ont une courte durée de vie, généralement de l’ordre d’une fraction de seconde, elles se désintègrent donc très rapidement en d’autres particules. Le pion positif se désintègre suivant la réaction décrite par l’équation (4).

π+ → μ+ + νμ
(4)

Pour ce qui est du kaon positif, plusieurs désintégrations sont possibles, les plus communes étant (5) et (6).

K+ → μ+ + νμ
(5)

K+ → π+ + π0
(6)

Ultimement, suivant les désintégrations des pions et kaons chargés positivement, on retrouve dans le faisceau un mélange de muons et de neutrinos muoniques, ajoutés au pions et kaons qui ne se sont pas désintégrés. Afin d’obtenir un faisceau composé exclusivement de neutrinos, le faisceau à la sortie du tuyau de désintégration est dirigé vers 240 m de roche non excavée ; de cette façon, les hadrons et leptons restants seront arrêtés. On obtient alors un faisceau pur de neutrinos muoniques d’énergie allant de 2 à 20 GeV [25].

La distance entre les cornes et la cible de graphite est un paramètre important influençant l’énergie des neutrinos résultants. En effet, en variant cette distance, on vient modifier la valeur de la quantité de mouvement nécessaire pour que les particules soient focalisées dans le tuyau de désintégration. Bien évidemment, des particules avec une plus grande quantité de mouvement produira des neutrinos de plus grande énergie. L’intensité du courant appliqué sur les cornes a elle aussi une influence sur l’énergie finale des neutrinos produits.


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FIGURE 7: Énergie des neutrinos du faisceau NuMI en fonction de la distance corne-cible [42]


À la figure 7, on peut voir un graphique qui illustre l’effet de la distance corne-cible et celui du courant appliqué sur la corne sur l’énergie des neutrinos générés par NuMI. Les données ont été prises avec une distance de 10 cm, 100 cm et 250 cm ; on voit bien que plus la distance est grande, plus le pic du spectre d’énergie des neutrinos se déplace vers des énergies supérieures [42]. On voit ainsi expérimentalement comment il est possible de choisir l’énergie moyenne des neutrinos du faisceau de NuMI. La haute énergie du faisceau de neutrinos du Fermilab a comme avantage d’être suffisamment élevée pour arriver à produire un tauon, lequel se désintègre en un neutrino tauique et un boson W, un neutrino qu’on cherche aussi à étudier [29].

9. Les expériences NOνA et MINOS

9.1. Les détecteurs de NOvA et MINOS (Chloé Gaudreau)

Les projets NOνA et MINOS utilisent chacun deux détecteurs : le détecteur proche (ND) situé directement au Fermilab, et le détecteur lointain (FD) situé à une grande distance du Fermilab. Les deux détecteurs sont construits de la même manière, la seule différence étant leur masse. Leurs propriétés sont décrites dans le tableau 2.












Détecteur proche
Détecteur lointain










Masse (tonnes)Position Masse (tonnes)Position





MINOS980 Fermilab
(1km de NuMI)
5400 Soudan, MN
(735km de NuMI)
NOvA 330 Fermilab
(1km de NuMI,
14mrad décentré)
14000 Ash River, MN
(810km de NuMI,
14mrad décentré)











TABLEAU 2: Détecteurs des expériences MINOS et NOvA

Les détecteurs de NOvA sont placés à un angle de 14 mrad par rapport à l’axe central du faisceau NuMI, car c’est l’endroit où les neutrinos incidents ont une énergie d’environ 2 GeV, ce qui est théoriquement l’énergie où l’amplitude d’oscillation est la plus grande. De plus, le spectre d’énergie de neutrinos loin du centre du faisceau est plus étroit (l’énergie des neutrinos est relativement bien regroupée autour de la valeur centrale 2 GeV), ce qui augmente le ratio signal/bruit du détecteur. [28]

La raison pour laquelle le FD doit être plus massif que le ND est que le faisceau NuMI diverge [35] : après s’être propagé plusieurs centaines de km, le diamètre du faisceau a augmenté d’environ 2m à plusieurs km. Le flux traversant le détecteur est donc plus faible, et il faut une plus grande masse de liquide scintillateur pour avoir un bon taux de détection.

Les détecteurs sont utilisés pour mesurer l’oscillation de neutrinos de cette manière : comme il est relativement proche de la source de neutrinos, le détecteur ND permet de mesurer la composition (ratio des saveurs de neutrinos) du faisceau NuMI avant que les neutrinos n’aient oscillé. Donc, le détecteur proche capte les neutrinos avant l’oscillation, et le détecteur éloigné capte ceux ayant oscillé, pour faire le ratio des saveurs de neutrinos [23].

9.2. La détection par scintillation (Chloé Gaudreau)

Les détecteurs de MINOS et NOvA utilisent tous deux le principe de scintillation, quoique de manière légèrement différente. La détection par scintillation est une des méthodes les plus anciennes pour détecter la présence de particules ainsi que leur nature. Ces détecteurs fonctionnent ainsi : une particule chargée énergétique qui traverse le milieu scintillateur (qui est souvent un cristal ou une substance organique) excite les électrons du milieu qui émettent, lors de leur désexcitation, des photons. Le nombre d’électrons que la particule incidente peut exciter avant d’avoir perdu toute son énergie cinétique est proportionnel au nombre de photons émis. Donc, si les photons sont convertis en signal électrique par un détecteur optique approprié, l’amplitude de l’impulsion détectée donne l’énergie de la particule. Généralement, le détecteur optique est un tube photomultiplicateur (PMT), extrêmement sensible (certains peuvent détecter un seul photon). Un détecteur à scintillation consiste donc d’un milieu scintillateur, couplé à un détecteur optique (Figure 8).


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FIGURE 8: Fonctionnement d’un scintillateur [10]



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FIGURE 9: Les détecteurs proche et lointain de NOvA [28]


Dans les détecteurs de MINOS, on utilise un empilement de couches de matériau dense (acier) et de couches de matériau scintillateur. Ce système est appelé un calorimètre. Lorsqu’une particule traverse le calorimètre, elle entre en collision avec les atomes du matériau dense et produit une gerbe de particules secondaires, qui sont détectées par le matériau scintillateur, ou entrent en collision avec la couche dense suivante pour produire une gerbe de particules tertiaires, etc. Le signal de toutes les couches de scintillateur est ensuite intégré pour obtenir l’énergie totale de la particule incidente.

Les détecteurs de NOVA utilisent une tactique différente : ils comportent uniquement du matériau scintillateur (dans le cas de NOvA, de l’huile minérale dans laquelle est dissous 5% de scintillateur organique), mais segmenté en cellules d’une dimension de 3.9 cm x 5.8 cm x 15.5 cm. Chaque cellule a son propre détecteur optique. Les ordinateurs qui font le traitement de données peuvent reconstruire la trajectoire d’une particule ayant traversé le détecteur en suivant la séquence des cellules qui ont été activées. L’énergie totale de la particule est obtenue en intégrant le signal de chaque cellule. Dans NOvA, le détecteur proche comporte 20 192 cellules, et le détecteur lointain 344 064 cellules [40]. De plus, les cellules sont placées dans plusieurs orientations pour avoir une bonne résolution dans les trois dimensions.

9.3. NOvA (Chloé Gaudreau)

9.3.1. Buts de l’expérience NOvA

L’expérience NOvA comporte plusieurs facettes, quoi qu’elle reste portée sur les neutrinos. Le but premier de l’expérience NOVA est d’observer et de détecter l’oscillation des neutrinos (Voir la section ”Théorie sur l’oscillation des neutrinos”). Plus précisément, les physiciens du projet NOvA cherchent à observer l’oscillation d’un neutrino muonique à un neutrino électronique, qui reste une observation qui n’a jamais encore été faite avant.

Ensuite, le projet NOvA cherche à mesurer les masses des neutrinos et à établir une hiérarchie des masses des différentes saveurs de neutrinos. En effet, les chercheurs croient que les neutrinos n’acquièrent pas leur masse de la même manière que les autres particules. C’est pourquoi il est si difficile d’établir des modèles et des expériences afin d’étudier ce sujet. Afin d’établir la hiérarchie des masses, les chercheurs du Fermilab veulent mesurer comment la diffusion des neutrinos sur les électrons (lors de leur propagation dans la matière) influence la probabilité de l’oscillation entre les saveurs. [28]

9.3.2. Résultats de NOvA

Première détection d’un neutrino muonique

En avril 2014, la première mesure de l’apparition de neutrinos a été faite. Nous pouvons voir dans la figure 10 un neutrino muonique interagir avec le détecteur de NOvA.


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FIGURE 10: Première détection et rayons cosmiques [38]


De plus, nous pouvons aussi voir, sur la même figure, deux muons provenant des rayons cosmiques. En fait, lorsque le faisceau NuMI est en fonction, il envoie des impulsions d’une durée de 10 microsecondes. Pendant ce temps, les scientifiques s’attendent à voir en moyenne 1.5 événements cosmiques dans le détecteur. [38] Le taux de rayons cosmiques est élevé car, contrairement à la plupart des détecteurs de neutrinos, le détecteur lointain de NOvA n’est pas sous terre [28]. NOvA mise sur un traitement de données avancé pour améliorer le rapport signal/bruit, au lieu d’isoler le détecteur des rayons cosmiques.

Première mesure de l’apparition d’un neutrino électronique

C’est en janvier 2016 que le Fermilab a publié son premier article sur l’apparition de neutrinos électroniques. Pour observer ceci, il faut qu’une interaction de courant chargé se produise dans le détecteur éloigné. Dans cette situation, les chercheurs peuvent détecter une cascade d’électrons. En créant un modèle numérique de cette interaction, les chercheurs reconstruisent la signature de l’événement. Ainsi, il sera possible de programmer le détecteur afin de discriminer ces événements et ainsi les différencier du bruit de fond (des rayons cosmiques). Dans la figure 11, nous pouvons observer ce processus, c’est-à-dire les événements qui ont été retenus par l’algorithme et qui appartiennent à une certaine fourchette d’énergies :


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FIGURE 11: Nombre d’événements retenus en fonction de l’énergie [1]


De plus, il est estimé qu’il faut environ 2.741020 protons sur la cible pour détecter 6 événements de type neutrino électronique au détecteur lointain. Cette observation prometteuse indiquerait la présence d’une oscillation de neutrino muonique à neutrino électronique [1].

Première mesure de la disparition d’un neutrino muonique

C’est aussi en janvier 2016 que la première disparition de neutrinos muoniques a été enregistrée. En mesurant les propriétés de la disparition de ce neutrino, tel le spectre d’énergie, les chercheurs de NOvA ont été capable de déterminer une plage de valeurs probable pour les paramètres θ23 et Δm232 (voir la section ”Théorie sur l’oscillation des neutrinos”) [2].

9.4. MINOS (Marie-Pier Labonté)

9.4.1. Les objectifs de MINOS

L’expérience du Main Injector Neutrino Oscillation Search (MINOS) au Fermilab est en opération depuis 2005 et a été mise en place dans le but d’y étudier le phénomène d’oscillation des neutrinos. L’expérience MINOS a deux buts principaux [18], soit

  1. Si les oscillations ne peuvent avoir lieu dans l’espace déterminé de MINOS, être capable de le démontrer.
  2. Si les oscillations peuvent avoir lieu dans l’espace donné de MINOS, être capable de démontrer leur existence, mesurer les paramètres d’oscillation et déterminer les modes d’oscillation possibles.

9.4.2. Composition de l’expérience MINOS

L’expérience est composée de trois composantes principales, soit le faisceau de neutrinos NuMI, un détecteur près du faisceau (1 km) et un autre détecteur situé plus loin (735 km). Le principe de fonctionnement du faisceau NuMI est expliqué à la section "Le projet NuMI" et celui des deux détecteurs à la section "Les détecteurs de NOvA et MINOS".

L’expérience de MINOS cherche bien évidemment à obtenir une précision de haut niveau dans ses mesures ; c’est dans le but de réduire les incertitudes que certains aspects ont été considérés avec attention. D’une part, pas un, mais deux détecteurs sont utilisés dans l’expérience de MINOS. En effet, en ayant un détecteur près de la source des neutrinos et un autre beaucoup plus loin, on s’assure que les oscillations puissent avoir lieu peu importe le niveau énergétique du neutrino. D’autre part, la similarité des deux détecteurs utilisés est un paramètre qui influence grandement la suppression de plusieurs incertitudes qui peuvent survenir lorsque l’on compare les résultats obtenus pour ces deux détecteurs. Aussi, le faisceau de neutrinos doit être le même pour les deux détecteurs ; en effet, il est évident que si l’oscillation a lieu, le ratio des événements détectés ne sera pas le même pour les deux détecteurs. Il est donc important que les paramètres qui peuvent être contrôlés le soient avec précision.

9.4.3. Mesure des interactions des neutrinos dans l’expérience de MINOS

Dans l’optique que des oscillations seront détectées, les conditions expérimentales de MINOS ont été soigneusement sélectionnées afin qu’il soit possible de détecter les oscillations décrites dans l’équation (7).

νμ → ντ &  νμ → νe
(7)

Nous avons abordé à la section "Principes de la détection des neutrinos" les deux types d’interaction connus entre les neutrinos et la matière. MINOS utilise les taux et spectre d’énergie des courants neutre (CN) et chargé (CC) afin d’obtenir des mesures sur l’oscillation des neutrinos. D’une part, pour ce qui est du courant chargé, son spectre d’énergie est indépendant des oscillations. De ce fait, la détection des oscillations se fait par le biais du comptage d’événements νμ via le CC. Les neutrinos muoniques et électroniques interagissent via le CC respectivement selon les réactions suivantes (équations (8) et (9)) :

νμ(νˉμ)+ X → μ -(+)+ X′
(8)

         -   ′
νe+ X → e + X
(9)

Ainsi, les oscillations sont détectés par la diminution des νμ(νμ) comptés, diminution qui a lieu lorsqu’il y a oscillation d’un neutrino muonique en un neutrino tauique ou électronique. Par la comparaison entre les spectres d’énergie détectés par les détecteurs proche et lointain, il est possible de déterminer le ratio d’événements νμ(νμ) manquants.

D’autre part, pour ce qui est du courant neutre, son spectre est sensible aux oscillations. Les événements ντ et νe augmentent le nombre total d’événements comptés pour le CN. Toutes les saveurs de neutrinos interagissent de la même façon par le CN selon la réaction suivante (équation (10)) :

ν+ X → ν+ X′
(10)

Ainsi, les oscillations sont directement détectées par le comptage des ντ et νe.

Les interactions de courant chargé de neutrinos sont facilement différentiables de celles de courant neutre. Le paramètre Xdans les réactions ci-dessus représente la cascade hadronique ou électronique qui résulte de l’interaction d’un neutrino via les deux types de courant ; cette cascade a des caractéristiques différentes selon le type de courant impliqué.


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FIGURE 12: Cascade hadronique ou électronique détectée en fonction du type d’interaction [18]


À la figure 12, on peut observer des cascades de hadrons ou d’électrons caractéristiques selon le type d’interaction en jeu. L’image de gauche illustre une cascade de hadrons pour un νμ via une interaction de CC, soit diffuse et plutôt longue. La cascade est déviée dû à la présence d’un champ magnétique ; le sens de la courbure indique s’il y a présence d’un neutrino ou d’un antineutrino muonique. L’image du centre illustre aussi une cascade de hadrons caractéristique pour un νμ, mais ici via une interaction de CN, qui est diffuse et plutôt courte. Finalement, l’image de droite montre une cascade électronique pour un νe via une interaction de CC qui est cette fois-ci beaucoup plus dense. C’est avec ces caractéristiques propres à chacun qu’il est possible de distinguer les interactions détectées dans l’expérience de MINOS.

Avec ces interactions CC et CN détectées et mesurées, on peut calculer le ratio CN/CC ; ceci est une bonne façon d’obtenir les contributions relatives des différents modes d’oscillation. En effet, les événements ντ et νe comptés pour CN vont donner un pic dans les basses énergies de son spectre d’énergie, alors que pour CC, on va retrouver un pic dans les hautes énergies de son spectre.


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FIGURE 13: Énergie des événements détectés avec l’interaction de CC et de CN [27]


À la figure 13, on peut observer trois graphiques illustrant les événements détectés pour des interactions de courant neutre et de courant chargé où l’axe Number of Hits correspond à l’énergie des événements comptés. On peut bien observer le pic du spectre d’énergie du courant neutre situé à de plus basses énergies que celui du courant chargé. Avec ces résultats, on peut faire un parallèle avec les cascades caractéristiques montrées plus tôt ; les événements survenus via une interaction de CC ont une plus grande énergie, la cascade hadronique/électronique a conséquemment une traînée plus longue.

9.4.4. Les résultats des expériences de MINOS

Depuis sa mise en opération en 2005, l’expérience de MINOS a permis d’obtenir de nombreux résultats. Les principaux résultats dont nous discuterons ici sont :

  1. La mesure précise de la différence de masse Δm322 et de l’angle de mélange θ23
  2. La mesure de la disparition des neutrinos et antineutrinos muoniques
  3. La mesure de l’apparition des neutrinos électroniques

MINOS s’intéresse à deux types d’oscillation [27], soit solaire et atmosphérique, qui sont respectivement associés aux paramètres Δm212, θ12 et Δm322, θ23. L’expérience MINOS étudie quant à elle les paramètres correspondant aux oscillations atmosphériques. Les scientifiques ont pu ainsi faire des mesures bien précises des paramètres Δm322 et θ23 (voir la section "Théorie sur l’oscillation des neutrinos"). Dans l’expérience de MINOS, comme nous en avons discuté plus tôt, il est possible de différencier les interactions des νμ versus des νμ via une interaction de courant chargé. Sachant cela, il a été possible de montrer que les paramètres d’oscillation Δm2, θ des neutrinos et de leurs antineutrinos sont les mêmes.

Ensuite, MINOS a permis de mettre en évidence le phénomène de disparition des neutrinos et antineutrinos muoniques. Tel qu’expliqué plus tôt, l’expérience de MINOS utilise un détecteur proche et un détecteur lointain. Sans oscillation qui surviendrait, il est possible de prévoir le spectre d’énergie pour les νμ et νμ qui serait mesuré par le détecteur lointain à partir des données obtenues au niveau du détecteur proche. En venant comparer cette prédiction avec les résultats de l’expérimentation, il a été possible de montrer qu’il y a une disparition des νμ et νμ au niveau du détecteur lointain pour la simple raison que ces neutrinos/antineutrinos ont oscillé, donc changé de saveur.


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FIGURE 14: Détection de l’oscillation des νμ [36]


À la figure 14, nous voyons un graphique du ratio effectué entre le spectre d’énergie attendu pour νμ s’il n’y avait aucune oscillation et celui qui a été observé expérimentalement. De ce graphique, nous pouvons observer la courbe bleue correspondant à la prédiction de la présence d’oscillations, calculée avec les paramètres optimaux de MINOS. Cette courbe est comparée aux résultats expérimentaux de MINOS et montre que le modèle d’oscillation donne une description valable des observations [36]. Ceci n’est qu’un résultat parmi plusieurs autres qui met en lumière l’existence de l’oscillation des neutrinos.

De plus, MINOS a permis de mettre aussi en évidence le phénomène d’apparition des neutrinos électroniques. Tel que mentionné plus tôt, la disparition des neutrinos/antineutrinos muoniques semble être une preuve de l’oscillation de ceux-ci en une autre saveur, dans le cas ici νμ νe, mais qui pourrait être aussi du type νμ ντ. Encore ici, c’est par la comparaison entre les spectres d’énergie obtenus aux détecteurs proche et lointain qu’on a pu mettre en évidence ce phénomène. MINOS a, par le fait même, participé à la mesure du paramètre θ13. En effet, on sait que la probabilité d’apparition du neutrino électronique ([52] p.48) est approximée par l’équation (11).

              2      2       2( 1.27Δm231L)
P(νμ → νe)≈ sin(θ23)sin (2θ13)sin      Eν
(11)

Elle dépend donc des angles de mélange θ23 et θ13. Avec la mesure précise de θ23 qui a été faite par MINOS, la recherche sur l’apparition des neutrinos électroniques a permis de déterminer la valeur de θ13, le dernier angle de mélange de la matrice des neutrinos PMNS qui demeurait inconnu.

Ainsi, à partir des recherches sur les disparition et apparition de certains types de neutrinos, les scientifiques ont pu peaufiner leurs connaissances sur les oscillations des neutrinos. En effet, on voit à la figure 15 une reconstruction du spectre d’énergie prédit pour les différents types de neutrinos avec les interactions de courant neutre et chargé qui est comparée avec les données expérimentales de MINOS ; c’est ici encore un exemple que la théorie concorde avec l’expérimentation. On voit ce que MINOS a pu accomplir en date de février 2015.


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FIGURE 15: CC à gauche et CN à droite [36]


Finalement, MINOS apporte quelques contributions secondaires à certaines autres recherches portant sur les neutrinos. D’une part, MINOS participe à la découverte des neutrinos stériles, soit un type de neutrinos qui n’interagissent par aucune force fondamentale autre que la gravité (voir la section "Physique des neutrinos"). Les résultats illustrés à la figure 15 ont permis entre autre d’observer l’existence de ce type de neutrino. D’autre part, les expérience de MINOS sur l’apparition des neutrinos électroniques ont permis de montrer de un, l’existence du paramètre de la violation de la symétrie CP ; c’est de ce dernier dont dépend la valeur de l’angle de mélange θ13 mesurée par MINOS. De deux, l’existence de la hiérarchie des masses des neutrinos. Toutefois, malgré ces quelques succès, les installations de MINOS ne sont pas adaptées pour permettre l’étude en profondeur de ces paramètres. Ceux-ci sont alors au centre des objectifs d’autres projets du Fermilab, comme pour le projet NOvA.

10. L’expérience MINERvA (Louis Haeberlé)

Une autre expérience du Fermilab qui emploie le faisceau NuMI est l’expérience MINERvA (Main Injector Experiment for ν-A), qui étudie la diffusion des neutrinos sur les noyaux atomiques. Plus précisément, MINERvA mesure les particules produites par l’interaction de neutrinos d’énergie 1-10 GeV avec cinq matériaux différents, soit l’hélium liquide, l’eau, le carbone, le fer, et le plomb [22].

10.1. Structure du détecteur

Le détecteur de MINERvA est situé dans le "Near Detector Hall" du Fermilab, soit tout de suite après la barrière de 240 m de roche qui filtre le faisceau NuMI. MINERvA consiste en un empilement de composants (Figure 16). Le faisceau de neutrinos traverse d’abord un bouclier en acier, qui sert à bloquer d’éventuelles particules chargées qui n’auraient pas été absorbées par la roche.

Les neutrinos passent ensuite par un bloc mince de matériau scintillateur appelé le "Veto wall" : les neutrinos, avec leur très faible section efficace d’interaction, vont traverser le "Veto wall" sans être détectés. Par contre, une particule chargée qui aurait traversé la roche et l’acier produira un signal en traversant le scintilateur. Les ordinateurs de traitement de données de MINERvA vont ensuite ignorer tout événement mesuré dans le reste du détecteur, puisque ces événements ne proviennent pas de la diffusion d’un neutrino.

Le faisceau traverse ensuite un cryostat contenant 250kg d’hélium liquide, qui forme la première cible sur laquelle les neutrinos peuvent diffuser. Le reste des cibles sont disposées en empilement compact alternant une couche de matériau cible et huit couches de matériau scintillateur (Figure 17), pour former un bloc nommé le "Nuclear Target Region" [3].

Les quelques particules créées par des diffusions de neutrinos (et la majorité du faisceau NuMI qui n’a pas interagi) traversent ensuite la "Active Tracker Region", un assemblage de 200 panneaux comportant chacun 127 segments de matériau scintillateur, pour un total de 25400 éléments de détection. Cette très grande segmentation du détecteur permet de reconstruire avec une bonne résolution spatiale la trajectoire des particules diffusées ; on peut ainsi déterminer dans laquelle des cibles la diffusion s’est produite.

Les particules sont ensuite absorbées par les calorimètres qui tapissent la "Active Tracker Region" (pour une explication du fonctionnement des calorimètres, voir la section "Les détecteurs de NOvA et MINOS"). MINERvA est équipé de deux types de calorimètre : des calorimètres électromagnétiques, qui mesurent l’énergie des particules qui interagissent par l’interaction EM (photons, électrons/positrons, etc.), et des calorimètres hadroniques, qui mesurent l’énergie des particules qui interagissent par l’interaction forte (hadrons).

Finalement, si des muons très énergétiques ont été produits par la diffusion de neutrinos, il est possible qu’ils traversent le calorimètre sans être absorbés. Comme le détecteur de l’expérience MINOS se situe directement derrière MINERvA, les calorimètres de MINOS sont utilisés pour mesurer l’énergie de ces muons [22].


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FIGURE 16: Schéma des détecteurs de l’expérience MINERvA [22]



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FIGURE 17: Configuration de cibles de MINERvA [22]


10.2. Buts de l’expérience MINERvA

L’expérience MINERvA a pour but de mesurer précisément les sections efficaces des neutrinos de haute énergie avec différents noyaux [3]. Ces données sont utilisées pour interpréter les résultats des expériences d’oscillation de neutrinos partout au monde. En effet, ces expériences mesurent le taux d’événements de diffusion de neutrinos de divers types de neutrinos dans un milieu de détection ; pour pouvoir calculer précisément le flux de neutrinos à partir de ce taux, il faut disposer d’un bon modèle pour prédire la section efficace d’interaction dans les matériaux. Ces modèles seront raffinés par les données de MINERvA.

Dans la section "Principes de la détection des neutrinos", nous avons présenté les types d’interactions qui peuvent se produire entre un neutrino et un nucléon. Cependant, un noyau cible n’est pas composé de nucléons libres : il est un état lié de nucléons, et cela signifie que le modèle des interactions que nous avons présenté n’est valide qu’en première approximation. Pour avoir un modèle fidèle à la réalité, il faut inclure les corrections dues aux "effets nucléaires". Les données fournies par MINERvA aident à déterminer la magnitude et la forme des termes de correction.

10.2.1. Résultats de l’expérience MINERvA

Lors de la calibration de MINERvA après sa construction (2012), les scientifiques du Fermilab ont réussi la toute première communication à distance utilisant les neutrinos [48]. En allumant et en éteignant le faisceau NuMI pour moduler le flux de neutrinos, il a été possible de transmettre le mot "neutrino" en binaire, en 6 minutes. Ce message a été ensuite reconstruit par le détecteur de MINERvA. Bien entendu, vu la taille du transmetteur et du récepteur et la très faible vitesse de transmission, ce n’est pas un mode de communication très pratique ; cependant, cela illustre bien la sensibilité du détecteur et a confirmé qu’il fonctionnait comme prévu.

MINERvA collecte des données depuis plus de trois ans, et jusqu’à présent les résultats obtenus consistent en des mesures précises des propriétés des interactions neutrino-carbone et neutrino-hydrocarbure. Plus précisément, l’équipe de MINERvA a publié des sections efficaces d’interaction pour la diffusion inélastique profonde[39] et la diffusion quasi-élastique[51], ainsi qu’un modèle des corrections nucléaires pour le carbone[46].

11. Présentation de l’expérience MicroBooNE

11.1. Buts (Chloé Gaudreau)

Le projet MicroBooNE est relativement récent. Celui-ci à été conçu à la suite du projet MiniBooNE, qui cherche aussi à mesurer les oscillations de neutrinos. En fait, les deux projets sont reliés puisque le projet MicroBooNE étudie, entre autre, les excès d’énergie d’événements survenus dans le projet MiniBooNE ; les physiciens de MiniBooNE n’arrivaient pas à expliquer pourquoi il y avait la présence d’un excès d’événements semblables à des neutrinos électroniques à de basses énergies (200 à 475 MeV), c’est entre autres pourquoi MicroBooNE a été créé.

De plus, le projet MicroBooNE est conçu pour étudier les sections efficaces d’interaction des neutrinos à basse énergie. Plus précisément, le projet MicroBooNE veut mesurer la section efficace de neutrinos dans la plage d’énergie près de 1 GeV. L’étude de la section efficace amènera à une meilleure compréhension du nucléon, car elle permet de bien observer l’interaction des nucléons avec leur environnement. C’est en juillet 2015 que le détecteur a été rempli d’argon, et en novembre 2015 que les premiers événements sur les neutrinos ont été enregistrés [26].

11.2. Théorie (Chloé Gaudreau)

L’étude des neutrinos, et surtout de son interaction avec la matière ordinaire, est très importante car les scientifiques croient qu’il serait possible de mieux comprendre la dualité matière-antimatière si nous avions une meilleure expertise dans la physique des neutrinos. C’est pourquoi l’étude de la section efficace de ceux-ci est primordiale.

Tout d’abord, rappelons le concept de section efficace : il s’agit d’une grandeur physique représentant la probabilité d’une interaction donnée avec une autre particule. La section efficace a des unités de surface ; on peut se la représenter, par analogie avec la physique classique, comme l’aire de la particule. Ainsi, plus l’aire est grande, plus la probabilité qu’une particule lancée au hasard y touche est grande. Cependant, il ne s’agit que d’une analogie pour illustrer le concept : en effet, contrairement à l’aire de section d’un corps classique, la section efficace d’une particule dépend de l’interaction considérée et de l’énergie de la particule. Pour une énergie donnée, on va ainsi généralement définir une section efficace totale, qui donne la probabilité de n’importe quelle interaction. Cette section efficace totale est la somme de sections efficaces de chaque mécanisme d’interaction qui est possible à l’énergie considérée.

Puisque les neutrinos interagissent seulement avec la force faible, leur section efficace sera considérablement plus petite que les sections efficaces des autres leptons et des hadrons. Quand on augmente l’énergie des neutrinos, il y a un plus grand nombre de mécanismes d’interaction possible. Par exemple, dans une réaction de diffusion de neutrinos de 0,1 GeV à 20 GeV, on peut retrouver trois types d’événements : la diffusion élastique et quasi-élastique, la production par résonance et la diffusion inélastique profonde.

Diffusion élastique et quasi-élastique

Dans ce type de diffusion (Figure 18), un neutrino qui arrive sur une cible peut transférer suffisamment de quantité de mouvement à un nucléon pour éjecter celui-ci du noyau. Dans ce cas, la quantité de mouvement est conservée[30].


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FIGURE 18: Exemple de diffusion quasi-élastique [34]


Production par résonance

Si l’énergie du neutrino est suffisante, celui-ci peut exciter un nucléon de la cible dans un état résonant (Figure 19). Le nucléon se désexcite ensuite rapidement vers un état pouvant consister de nucléons et de mésons[30].


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FIGURE 19: Exemple de production par résonance [34]



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FIGURE 20: Exemple de diffusion inélastique profonde [34]


Diffusion inélastique profonde

Finalement, lors d’une diffusion inélastique profonde (Figure 20), l’énergie du neutrino est si grande qu’elle peut venir affecter, lors de la collision, la structure des quarks du nucléon. Il génère ainsi ce que l’on appelle une gerbe hadronique, c’est-à-dire qu’un quark est éjecté du noyau mais, à cause du phénomène de confinement de couleur, celui-ci ne peut exister seul : un quark libre possède une énergie potentielle tellement élevée que des quarks ou des antiquarks sont spontanément créés à partir du vide. Les particules produites par la diffusion inélastique profonde des neutrinos sont donc des états liés de quarks et/ou d’antiquarks (hadrons)[30].

Finalement, voici un graphique montrant la section efficace de ces trois interactions en fonction de l’énergie. On voit clairement dans la figure 21 que certains événements dominent en fonction de l’énergie.


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FIGURE 21: Sections efficaces d’interactions en fonction de l’énergie [34]


11.3. Physique des détecteurs (Marie-Pier Labonté)

L’expérience de MicroBooNE, faisant elle aussi de la recherche sur les neutrinos, utilise une variation d’un détecteur ayant révolutionné la physique des particules au 20e siècle, soit la Time Projection Chamber (TPC), remplie d’argon liquide [43]. Ce type de détecteur a été pensé en 1974 par le physicien David Nygren. Cette nouvelle invention a permis de grands avancements en physique des particules, puisqu’avec ce détecteur il est possible d’observer en 3D les milliers de particules générées par une collision.

Avant d’aller plus loin, expliquons un peu comment fonctionne un détecteur TPC. Ce type de détecteur est conçu dans le but de détecter des neutrinos. L’argon liquide fait office ici de cible pour les neutrinos. L’utilisation de ce gaz est avantageuse, puisque c’est un gaz noble, donc dense et inerte. Toutefois, pour que l’argon soit sous la phase liquide, celui-ci doit être à des températures très basses, soit autour de 87 K. C’est pourquoi l’utilisation d’un cryostat est nécessaire dans cette expérience ; un cryostat est un instrument permettant l’obtention de températures cryogéniques, c’est-à-dire des températures inférieures à 100 K. Les neutrinos étant des particules impossibles à détecter directement, c’est par le biais des interactions avec les électrons libres que leur présence est observée, un principe que nous avons déjà abordé précédemment. Ce qui distingue principalement ce détecteur des autres à l’époque de sa conception est que celui-ci utilise des champs électrique et magnétique qui sont parallèles l’un par rapport à l’autre. Cet aspect permet aux électrons libres de suivre un parcours en ligne droite plutôt qu’une courbe permettant ainsi de suivre leur trace avec moins d’incertitudes. À ceci s’ajoute le fait qu’avec le TPC les collisions peuvent être détectées en 3 dimensions, du jamais vu pour l’époque [43][33].

Pour faire un bref historique technique de l’expérience MicroBooNE, en 2012-2013, le détecteur TPC a été assemblé et celui-ci a été enfermé dans un cryostat à la fin de l’année 2013. Ensuite, en juin 2014, le système a été installé au Liquid Argon Test Facilty (LArTF), situé au Fermilab [20].


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FIGURE 22: Expérience de MicroBooNE [33]


Nous pouvons décrire un peu plus de façon technique ce en quoi consiste chacun des éléments de l’expérience MicroBooNE. Le détecteur TPC est de dimensions 2,5x2,5x10,4 m [33]. Il est contenu dans un cryostat rempli de 170 tonnes d’argon liquide. Le faisceau de neutrinos utilisé dans cette expérience est le Booster Neutrino Beam (BNB) dont l’énergie moyenne des neutrinos est de 600 MeV. Trois wire planes placés autour du détecteur TPC agissent comme un amplificateur. De plus, MicroBooNE contient tout un système optique permettant de détecter le scintillement des particules et la lumière de Cherenkov qui sont générés par les particules chargés dans la TPC. Celui-ci est principalement composé de tubes photomultiplicateurs, de détecteurs de lumière et d’un système de calibration [33].

11.4. Résultats (Marie-Pier Labonté)

Les systèmes de l’expérience de MicroBooNE ont été testés et calibrés, prêts à l’emploi. Après avoir passé le test de l’efficacité, le début de la collecte de données par MicroBooNE a été lancé en octobre 2015. En date du mois d’avril 2016, aucun résultat n’a été publié encore, mais le projet de MicroBooNE n’en est encore qu’à ses débuts ; des résultats seront certainement disponibles dans un avenir rapproché.

12. Expériences futures : DUNE (Marie-Pier Labonté)

L’expérience de DUNE, présentement en construction, portera sur trois grands thèmes :

  1. L’étude de l’existence d’asymétries entre la matière et l’antimatière pour les neutrinos
  2. L’étude de milliers de neutrinos provenant de l’effondrement d’une supernova dans la Voie Lactée
  3. L’étude de la désintégration de protons avec un détecteur de particules cryogénique

L’expérience de DUNE requiert l’installation du Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF). DUNE utilisera le faisceau de neutrinos de plus grande intensité au monde, ses infrastructures supporteront des détecteurs cryogéniques mis en place au Sanford Underground Research Facility (SURF). Le SURF est un laboratoire situé sous terre et il sera utilisé pour détecter les neutrinos qui seront produits par le LBNF situé au Fermilab. La distance que parcourront les neutrinos n’est pas moins de 1300 km [21]. À la figure 23 est illustré un schéma de l’expérience de DUNE avec les installations déjà existantes et celles qui se rajouteront pour compléter le projet.


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FIGURE 23: Schéma de l’expérience de DUNE [15]


Le projet de DUNE implique donc beaucoup de défis techniques avec la construction du LBNF au Fermilab ainsi que du Proton Improvement Plan-II (PIP-II). Le PIP-II a pour but de fournir un faisceau de protons encore plus puissant que ce qui existe en ce moment au Fermilab [24]. Il sera constitué d’un accélérateur de particules super-conducteur, superconducting linac (SCL), de 800 MeV, soit le plus puissant au monde. C’est ce faisceau de protons qui sera utilisé pour générer les neutrinos dans le LBNF.

L’expérience de DUNE requiert elle aussi deux détecteurs, un proche et un lointain. D’une part, le détecteur proche sera situé sous terre près du faisceau de neutrinos. Il servira à caractériser le faisceau de neutrinos, de la même façon qu’expliqué plus tôt, entre autres, dans l’expérience de MINOS ; cette caractérisation permet de mieux comprendre les signaux qui seront détectés par le détecteur lointain. D’autre part, la Liquid Argon Time-Projection Chamber (LArTPC) fera office de détecteur lointain, laquelle suit le même principe que la TCP dont nous avons discutée dans l’expérience de MicroBooNE mais qui, cette fois-ci, sera de plus grande échelle. Le LArTPC sera installée à 1 475 m de profondeur [16].

Le projet DUNE est présentement en construction ; dans un avenir rapproché, ce projet pourra être mis en marche et commencer la collecte de données. Cette expérience au Fermilab permettra peut-être de répondre à de grands questionnements que nous nous posons sur l’Univers !

13. Conclusion

Le Fermilab consacre la majeure partie de ses activités de recherche sur le neutrino, cette particule dont on entend souvent parler en physique des particules, qu’on retrouve en abondance dans notre environnement, mais qui est si difficilement détectable puisqu’elle interagit très peu avec la matière. L’étude du neutrino au cœur du Fermilab a permis de mettre en évidence l’oscillation des neutrinos, la masse non-nulle de cette particule, et de faire des mesures précises de ses paramètres d’oscillation, en plus de mieux comprendre les interactions des neutrinos avec différents noyaux. En plus d’obtenir des résultats importants sur les propriétés de cette particule du Modèle Standard, étudier les neutrinos permet d’avoir une nouvelle fenêtre sur l’Univers et ses débuts. Le Fermilab a permis de faire avancer les connaissances sur les neutrinos, certes. Néanmoins, le sujet n’est pas clos, de grandes questions restent encore en suspens ; serait-il possible d’arriver à détecter les neutrinos du rayonnement de fond cosmologique et ainsi d’accéder à de nouvelles informations sur le Big Bang ? Les neutrinos peuvent-ils nous aider à mieux comprendre pourquoi l’Univers actuel contient plus de matière que d’antimatière ? Avec les grands avancements technologiques qui se font constamment dans ce domaine depuis plusieurs décennies, par exemple avec le développement du projet DUNE en ce moment, nous pouvons espérer percer certains des mystères de l’Univers par le biais des neutrinos.

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