Les électrons préparent le terrain pour les expériences sur les neutrinos


Les électrons préparent le terrain pour les expériences sur les neutrinos

Les neutrinos qui interagissent avec les noyaux. Crédit photo : Jefferson Lab par DOE

Les neutrinos pourraient être la clé de la solution ultime à un mystère les origines de notre univers dominé par la matière, et les préparatifs sont en cours deux grandes d’un milliard de dollars pour découvrir les secrets des particules. Aujourd’hui, une équipe de physiciens nucléaires s’est tournée vers l’humble électron pour mieux comprendre comment ces expériences peuvent mieux se préparer à la collecte d’informations critiques. Ses recherches, menées au Thomas Jefferson National Accelerator Facility du département américain de l’Énergie et récemment publiées dans la nature, montre que des mises à jour approfondies des modèles de neutrinos sont nécessaires pour que les expériences produisent des résultats très précis.

Les neutrinos sont omniprésents et sont produits en grand nombre par les étoiles de notre univers. Bien que ces particules timides soient répandues, elles interagissent rarement avec la matière, ce qui les rend très difficiles à étudier.

« Il y a ce où les neutrinos passent d’un type à un autre, et ce phénomène est appelé oscillation de neutrinos. Elle était étudiante au doctorat à l’Université Old Dominion dans le groupe de recherche du professeur et éminent chercheur Larry Weinstein lorsqu’elle a contribué à la recherche. Aujourd’hui, elle est boursière postdoctorale à la Florida International University.

Une façon d’étudier l’oscillation des neutrinos est de construire d’énormes détecteurs très sensibles pour mesurer les neutrinos profondément sous terre. Les détecteurs contiennent généralement des matériaux denses avec de gros noyaux, de sorte que les neutrinos sont plus susceptibles d’interagir avec eux. De telles interactions déclenchent une cascade d’autres particules qui sont détectées par les détecteurs. Les physiciens peuvent utiliser ces données pour extraire des informations sur les neutrinos.

« Les physiciens des neutrinos le font en mesurant toutes les particules qui résultent de l’interaction des neutrinos avec les noyaux et en reconstruisant l’énergie des neutrinos entrants afin d’en savoir plus sur le neutrino et ses vibrations et de les mesurer très, très précisément », explique Adi Aschkenasim. Ashkenazi est l’auteur de contact de l’étude qui a travaillé sur le projet en tant que chercheur associé dans le groupe de recherche du professeur Or Hen au Massachusetts Institute of Technology. Aujourd’hui, elle est maître de conférences à l’université de Tel Aviv.

« Les détecteurs sont constitués de noyaux lourds, et les interactions des neutrinos avec ces noyaux sont en fait des interactions très complexes », a déclaré Ashkenazi. « Ces méthodes de reconstruction de l’énergie des neutrinos sont encore très sophistiquées, et c’est notre travail d’améliorer les modèles que nous utilisons pour les décrire. »

Ces méthodes incluent la modélisation des interactions à l’aide d’une simulation théorique appelée GENIE, qui permet aux physiciens de déduire les énergies des neutrinos entrants. GENIE est un mélange de nombreux modèles qui aident les physiciens à reproduire certains aspects des interactions entre les neutrinos et les noyaux. Comme on sait si peu de choses sur les neutrinos, il est difficile de tester directement GENIE pour s’assurer qu’il fournit des résultats à la fois précis et très précis à partir des nouvelles données obtenues à partir des futures expériences sur les neutrinos telles que la Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) ou. Hyper-Kamiokande sera livré.

Pour tester GENIE, l’équipe s’est tournée vers une humble particule que les physiciens nucléaires connaissent beaucoup mieux : l’électron.

« Cela tire parti des similitudes entre les électrons et les neutrinos. Nous utilisons des études sur les électrons pour valider les modèles d’interaction neutrino-noyau », a déclaré Khachatryan.

Les neutrinos et les électrons ont beaucoup en commun. Les deux appartiennent à la famille des particules subatomiques appelées leptons, ce sont donc toutes deux des particules élémentaires qui ne sont pas affectées par la force forte.

Dans cette étude, l’équipe a utilisé une version de diffusion d’électrons de GENIE appelée e-GENIE pour tester les mêmes algorithmes de reconstruction d’énergie entrante que les chercheurs sur les neutrinos utiliseront. Au lieu d’utiliser des neutrinos, ils ont utilisé des résultats d’électrons plus récents.

« Les électrons sont étudiés depuis des années et les rayons des électrons ont des énergies très précises », a déclaré Ashkenazi. « Nous connaissons leurs énergies. Et si nous essayons de reconstruire cette énergie entrante, nous pouvons la comparer avec ce que nous savons. Nous pouvons tester l’efficacité de nos méthodes pour différentes énergies, ce qui n’est pas possible avec les neutrinos. »

Les données d’entrée pour l’étude proviennent d’expériences réalisées avec le détecteur CLAS dans l’installation d’accélérateur de faisceau d’électrons continu du Jefferson Lab, une installation d’utilisateurs du DOE. Le CEBAF est l’accélérateur d’électrons le plus avancé au monde pour la recherche sur la nature de la matière. L’équipe a utilisé des données qui reflétaient directement le cas le plus simple pouvant être étudié dans les expériences sur les neutrinos : des interactions qui ont créé un électron et un proton (par opposition à un muon et un proton) à partir de noyaux d’hélium, de carbone et de fer. Ces noyaux sont similaires aux matériaux utilisés dans les détecteurs pour les expériences sur les neutrinos.

De plus, le groupe a travaillé pour s’assurer que la version électronique de GENIE soit aussi parallèle que possible à la version neutrino.

« Nous avons utilisé exactement la même simulation que nous avons utilisée pour les expériences sur les neutrinos et appliqué les mêmes corrections », a déclaré Afroditi Papadopoulou, co-auteur principal de l’étude et doctorant au MIT, qui fait également partie du groupe de recherche de Hen. « Si le modèle ne fonctionne pas pour les électrons, là où nous parlons du cas le plus simple, il ne fonctionnera jamais pour les neutrinos. »

Même dans ce cas le plus simple, une modélisation précise est cruciale, car les données brutes des interactions électron-noyau reconstruisent généralement moins de la moitié du temps jusqu’à l’énergie correcte du faisceau d’électrons incident. Un bon modèle peut prendre en compte cet effet et corriger les données.

Cependant, lorsque GENIE a été utilisé pour modéliser ces événements de données, les résultats ont été encore pires.

« Cela peut fausser les résultats de l’oscillation des neutrinos. Nos simulations doivent pouvoir reproduire nos données d’électrons avec leurs énergies de faisceau connues avant que nous puissions être sûrs qu’elles sont précises dans les expériences sur les neutrinos », a déclaré Papadopoulou.

Khatchatrian a accepté.

« Le résultat est en fait d’indiquer que certains aspects de ces méthodes et modèles de reconstruction énergétique doivent être améliorés », a déclaré Khachatryan. « Cela montre également un moyen de le faire pour de futures expériences. »

La prochaine étape de cette recherche consiste à tester des noyaux cibles spécifiques d’intérêt pour les chercheurs sur les neutrinos et à une plus large gamme d’énergies d’électrons incidents. Disposer de ces résultats spécifiques pour une comparaison directe aidera les chercheurs sur les neutrinos à affiner leurs modèles.

Selon l’équipe d’étude, l’objectif est de parvenir à un large accord entre les données et les modèles pour garantir que DUNE et Hyper-Kamiokande peuvent atteindre les résultats de haute précision attendus.


Première mesure des interactions d’un seul proton avec le détecteur MicroBooNE


Plus d’information:
Ou Hen, reconstruction d’énergie de faisceau d’électrons pour les mesures d’oscillation de neutrinos, la nature (2021). DOI : 10.1038 / s41586-021-04046-5. www.nature.com/articles/s41586-021-04046-5

Fourni par le Thomas Jefferson National Accelerator Facility

Citation: Les électrons préparent la scène pour les expériences sur les neutrinos (2021, 24 novembre), consulté le 25 novembre 2021 sur https://phys.org/news/2021-11-electrons-stage-neutrino.html

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