Le Grand collisionneur de hadrons a été utilisé pour détecter toutes les particules connues, à l'exception des neutrinos. Jusqu'à maintenant

Les neutrinos font partie des particules les plus énigmatiques de toute la physique. Dotés d'une charge neutre et d'une masse proche de zéro, les neutrinos interagissent rarement avec d'autres matières et sont donc notoirement difficiles à observer. Les scientifiques ont encore beaucoup appris à leur sujet – notamment en identifiant trois types de neutrinos (particules d’électrons, de muons et de tau) – mais les observer est une tout autre affaire. Bien que les neutrinos aient été détectés à l’aide d’équipements avancés, les physiciens espéraient mieux comprendre les neutrinos en les observant dans un collisionneur de particules.

Le résultat fut un succès retentissant : une expérience qui détecta des neutrinos comme aucune autre n'avait jamais été menée.

Aujourd’hui, grâce aux scientifiques de deux instituts distincts, des neutrinos ont été détectés dans un collisionneur – et le monde de la physique ne sera peut-être plus jamais le même.

Pour atteindre cet objectif, les chercheurs du FASER (Forward Search Experiment) et du SND (Scattering and Neutrino Detector)@LHC ont utilisé le Grand collisionneur de hadrons (LHC), une machine suisse qui est également le collisionneur de particules le plus grand et le plus énergétique au monde. Il existe essentiellement sous la forme d'une boucle géante construite dans un tunnel de 27 kilomètres (17 mi) de circonférence. Même si la détection de neutrinos dans un collisionneur peut sembler une plaisanterie académique, les scientifiques qui l'ont fait pensent qu'ils peuvent en apprendre beaucoup sur la structure atomique de l'univers grâce à ce processus.

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"Les neutrinos sont produits en très grande quantité dans les collisionneurs de protons tels que le LHC", a déclaré Cristovao Vilela, membre de la collaboration SND@LHC, à Phys.org. "Cependant, jusqu'à présent, ces neutrinos n'avaient jamais été observés directement. La très faible interaction des neutrinos avec d'autres particules rend leur détection très difficile et, de ce fait, ce sont les particules les moins bien étudiées dans le modèle standard de la physique des particules."

FASER a détecté les neutrinos en disposant son détecteur le long de la ligne d'un faisceau de particules de manière à ce que les neutrinos de plus haute énergie le traversent. À l’aide de 730 feuilles de tungstène mesurant chacune 0,044 pouce d’épaisseur, l’équipe FASER a réussi à suivre les trajectoires des particules en collision. Ce faisant, ils ont pu trouver 153 événements de neutrinos à l’aide de leur détecteur « très petit et peu coûteux ».

De même, le SND@LHC a signalé avoir montré 8 événements de neutrinos supplémentaires après avoir placé son détecteur de côté. Comme l'équipe FASER, celui-ci a protégé son détecteur dans une centaine de mètres de roche et de béton afin que la plupart des particules non neutrinos ne passent pas à travers.

Le résultat fut un succès retentissant : une expérience qui détecta des neutrinos comme aucune autre n'avait jamais été menée.

"Auparavant, on pensait que la physique des particules était divisée en deux parties : les expériences à haute énergie, nécessaires pour étudier les particules lourdes, comme les quarks top et les bosons de Higgs, et les expériences à haute intensité, nécessaires pour étudier les neutrinos", Jonathan Lee Feng, co-porte-parole de la collaboration FASER, a déclaré à Phys.org. "Ce travail a montré que les expériences à haute énergie peuvent également étudier les neutrinos, et ont ainsi rapproché les frontières des hautes énergies et des hautes intensités."

"Les collisionneurs de particules existent depuis plus de 50 ans et ont détecté toutes les particules connues à l'exception des neutrinos", a-t-il ajouté.

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À chaque seconde, environ 100 000 milliards de neutrinos traversent le corps humain et le laissent indemne.

L'hypothèse de l'existence des neutrinos a été émise pour la première fois dans les années 1930, après que des scientifiques travaillant sur le développement d'armes nucléaires ont remarqué que bien souvent les réactions nucléaires semblaient transporter moins d'énergie que les particules qui les précédaient. Étant donné que la loi de conservation stipule que l’énergie ne peut être ni créée ni détruite, il était logique qu’il existe des particules subatomiques que les humains ignoraient encore et qui expliquaient l’énergie perdue.

En 1956, les physiciens Frederick Raines et Clyde Cowan ont dirigé une équipe de chercheurs qui ont confirmé l'existence des neutrinos. Depuis, des neutrinos ont été détectés dans le Soleil, lors de supernovas et même dans les interactions entre les rayons cosmiques et la haute atmosphère. Pourtant, il reste notoirement difficile pour les scientifiques de réaliser des expériences avec des particules dont la masse est quasiment inférieure et qui n’interagissent pas avec d’autres matières. C’est ce qui rend les expériences LHC si révolutionnaires.