Il n’existe aucune preuve de l’existence de neutrinos stériles - un quatrième type de particule élémentaire, le neutrino. C’est ce que montre la collaboration internationale MicroBooNE au centre de recherche américain Fermilab avec la participation de l’Université de Berne. Les résultats confirment le modèle standard de la physique des particules et excluent que les neutrinos stériles soient l’explication de certaines anomalies observées lors d’expériences de physique antérieures.
Les neutrinos sont de minuscules particules élémentaires qui jouaient déjà un rôle important dans les premières phases de l’univers. Bien qu’ils fassent partie des particules les plus fréquentes de l’univers, ils comptent également parmi les plus mystérieux. En effet, les neutrinos n’interagissent que rarement avec d’autres matières - c’est pourquoi on les appelle aussi ’particules fantômes’. Des questions fondamentales concernant la physique des neutrinos n’ont pas encore été résolues - par exemple comment ils acquièrent leur masse et quel rôle ils jouent dans le fait qu’il y a plus de matière que d’antimatière dans l’univers. Leur existence est connue depuis plusieurs décennies et trois types de neutrinos ont joué un rôle important dans la construction du modèle standard de la physique des particules, également appelé ’formule universelle’. Ce modèle fournit une explication de l’univers et décrit les plus petits éléments constitutifs de la matière et leurs interactions. Cependant, des expériences antérieures ont montré des résultats de mesure inattendus qui ne s’expliquent pas par la compréhension actuelle des neutrinos. Pour justifier ces anomalies, les chercheurs supposent l’existence d’un quatrième type de neutrino non encore découvert - les neutrinos stériles.
Les nouveaux résultats de l’expérience MicroBooNE au centre de recherche en physique des particules Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) près de Chicago (USA) excluent désormais cette possibilité avec une grande probabilité après plusieurs années de recherche : Le groupe de recherche, auquel participent des chercheurs du Laboratoire de physique des hautes énergies (LHEP) et de l’Albert Einstein Center for Fundamental Physics (AEC) de l’Université de Berne, n’a trouvé aucun indice d’un quatrième type de neutrinos. Les résultats ont été publiés aujourd’hui dans la revue scientifique Nature.
L’énigmatique particule neutrino
Les neutrinos font depuis longtemps l’objet de recherches intensives. Ils sont produits à de nombreux endroits - par exemple dans le soleil, dans l’atmosphère, dans les réacteurs nucléaires ou dans les accélérateurs de particules. Mais comme ils n’interagissent que rarement avec d’autres matières, ils sont difficiles à détecter et sont donc souvent appelés ’particules fantômes’. Il est néanmoins possible de les rendre indirectement visibles et de les étudier à l’aide de détecteurs de particules spéciaux.
Les neutrinos peuvent passer d’un type à l’autre (neutrinos électroniques, muoniques et tauiques) de manière particulière, ce que l’on appelle l’"oscillation des neutrinos". Dans les années 1990, une expérience menée aux États-Unis sur les oscillations de neutrinos a révélé plus d’interactions de particules que ne le prévoyait la théorie. Une explication populaire de ce résultat inhabituel était l’hypothèse d’un quatrième type de neutrinos, appelés neutrinos stériles. Cette particule hypothétique serait cependant encore plus difficile à détecter que ses ’cousins’ connus et ne réagirait qu’à la gravité. cependant, la technologie de détection disponible à l’époque était moins fiable pour mesurer les neutrinos. C’est pourquoi l’idée de l’expérience MicroBooNE est née en 2007", explique Michele Weber, directeur du Laboratoire de physique des hautes énergies (LHEP) et ancien responsable scientifique de l’expérience MicroBooNE.
Mesures de précision avec le détecteur d’argon liquide de Berne
Le détecteur MicroBooNE a été utilisé de 2015 à 2021 dans le Booster Neutrino Beam (BNB) au Fermilab pour tester l’existence de neutrinos stériles. Le détecteur se trouve dans une cuve cylindrique de 12 mètres de long, remplie de 170 tonnes d’argon liquide pur. Le détecteur a également utilisé le faisceau NuMI au Fermilab. Cette double source de rayonnement a permis aux chercheurs de réduire les incertitudes dans leurs mesures et d’exclure presque toute la zone dans laquelle un seul neutrino stérile pourrait se cacher. Grâce au détecteur, la collaboration MicroBooNE, composée de chercheurs de 40 institutions de six pays différents, a pu prendre des images 3D très précises d’événements neutrinos et étudier les interactions en détail. la technologie de l’argon liquide a été développée à l’Université de Berne. A un moment donné, une dizaine de chercheurs du Laboratoire de physique des hautes énergies et de l’Albert Einstein Center for Fundamental Physics (AEC) ont participé à la collaboration et ont contribué au développement et à la construction du détecteur’, explique Weber.
Aucune trace de neutrinos stériles
Les derniers résultats de MicroBooNE viennent d’être publiés et ne montrent aucune trace de neutrinos stériles. Les résultats correspondent donc à ceux de l’expérience MicroBooNE de 2021. Grâce à ce nouveau résultat, MicroBooNE a pu exclure avec 95% de certitude l’explication des anomalies observées dans les expériences précédentes par un seul neutrino stérile. une découverte est bien sûr toujours plus excitante, mais les résultats n’en sont pas moins significatifs ou importants. Ils montrent ce dont les détecteurs de neutrinos modernes sont aujourd’hui capables et répondent définitivement à une question fondamentale de la physique’, explique Weber. ’Ces résultats vont motiver les physiciens à chercher d’autres explications possibles pour ces anomalies’, poursuit Weber.
Poursuite des recherches sur les neutrinos
L’expérience MicroBooNE a non seulement contribué à élucider cette énigme des neutrinos, mais elle a également fourni de précieuses informations sur les interactions des neutrinos dans l’argon liquide. Ces connaissances sont cruciales pour les expériences futures, comme l’expérience DUNE sur les neutrinos souterrains profonds au Fermilab, qui implique plus de 1’400 chercheurs de plus de 200 instituts dans le monde entier et qui utilise la même technologie de l’argon liquide. DUNE est l’expérience sur les neutrinos la plus complète au monde. Les chercheurs de l’Université de Berne apportent la composante principale de ce que l’on appelle le ’near detector’, qui doit permettre de détecter les neutrinos immédiatement après leur formation.
MicroBooNE a reçu, entre autres, un financement suisse du Fonds national suisse et de l’Albert Einstein Center for Fundamental Physics.
