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Des physiciens ont détecté des « particules fantômes » dans le Grand collisionneur de hadrons pour la première fois. Celles-ci pourraient nous aider à mieux comprendre des phénomènes physiques essentiels.

Des particules fondamentales énigmatiques

Les neutrinos sont des particules élémentaires électriquement neutres et extrêmement légères qui interagissent rarement avec les particules de matière. Ceux-ci sont produits par les étoiles, les supernovas, les quasars, la désintégration radioactive et les rayons cosmiques qui interagissent avec les atomes de l’atmosphère terrestre, mais s’avèrent notoirement difficiles à détecter en dépit de leur abondance (des milliards d’entre eux traversent votre corps en ce moment même). Ce qui leur a valu d’être qualifiés de « particules fantômes ».

On a longtemps pensé que les accélérateurs de particules comme le Grand collisionneur de hadrons (LHC) en produisaient aussi, mais qu’ils ne pourraient être détectés qu’avec des instruments adaptés. Ce qui s’est finalement produit dans le cadre d’un essai pilote impliquant le détecteur de particules FASER, installé au CERN en 2018.

« Avant ce projet, aucun signe de neutrinos n’a jamais été observé dans un collisionneur de particules », explique Jonathan Feng, co-auteur de l’article décrivant les résultats, paru dans la revue Physical Review D. « Cette percée significative est une étape vers le développement d’une compréhension plus profonde de ces particules insaisissables et du rôle qu’elles jouent au sein de l’Univers. »

L’instrument FASER

Situé à 480 mètres de l’endroit où se produisent les collisions de particules, FASER fonctionne un peu comme un appareil photo argentique. L’instrument est constitué de plaques de plomb et de tungstène, séparées par des couches d’émulsion. Lorsque certains neutrinos frappent les noyaux des atomes des métaux denses, d’autres particules sont créées et traversent l’émulsion. Les traces qu’elles laissent derrière elles peuvent ensuite être vues lorsque les couches d’émulsion sont « développées » comme une pellicule. Au total, six de ces interactions ont été repérées dans les données.

« Nous pensons pouvoir enregistrer plus de 10 000 interactions de neutrinos lors du prochain passage du LHC »

Après avoir vérifié l’efficacité de l’approche du détecteur à émulsion pour l’observation des interactions des neutrinos produits dans un collisionneur de particules, l’équipe de FASER prépare maintenant une nouvelle série d’expériences avec un instrument complet, beaucoup plus grand et beaucoup plus sensible.

Cette version complète, baptisée FASERnu, pèsera plus d’une tonne, contre 29 kg pour le dispositif pilote. Selon l’équipe, sa sensibilité accrue lui permettra non seulement de détecter plus facilement les neutrinos, mais aussi de différencier les trois « saveurs » différentes qu’ils présentent, ainsi que les antineutrinos.

« Compte tenu de la puissance de notre nouveau détecteur et de son emplacement privilégié au CERN, nous pensons pouvoir enregistrer plus de 10 000 interactions de neutrinos lors du prochain passage du LHC, qui débutera en 2022 », explique David Casper, co-auteur de l’article. « Cela nous permettra de détecter les neutrinos de plus haute énergie jamais produits par une source humaine. »

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