Les détecteurs du LHC (tels que ATLAS et CMS) ne peuvent pas détecter les neutrinos dans les collisions proton-proton ; ils observent seulement une perte d’énergie et de quantité de mouvement linéaire associée à la présence d’un neutrino. Entre 2019 et 2021, le détecteur de neutrinos FASER a été installé (Expérimentation de recherche vers l’avant) à 480 mètres du point de collision IP1, où se trouve ATLAS, avec 100 mètres de roche pour réduire les événements de fond. Il a recueilli des données pendant le Run 3 du LHC en 2022 et plus de 350 millions d’événements ont été enregistrés. Le 19 mars 2023 lors du 57e congrès des Rencontres de Moriond, le premier événement montrant la détection d’un neutrino électronique (27 oct. 2022, Run 8942 Event 47032829) d’une énergie de 843,8 GeV a été rendu public ; ~150 neutrinos ont été observés dans les collisions 35,4 /fb (femtobarn inverse) en 2022 (on devrait en observer 151±41). L’article avec l’analyse détaillée de ces résultats est en préparation, mais nous sommes heureux que FASER ait été un tel succès. En plus des neutrinos, il recherche des photons noirs (potentiels), mais aucun n’a été observé (0,0020 ± 0,0024 événements).
Connaître la distribution statistique des neutrinos produits dans les collisions proton-proton au LHC n’est pas la même chose que savoir dans quelle collision particulière un neutrino observé a été généré ; mais lesdites informations sont complémentaires. Selon les modèles théoriques, pour 35 /fb de collisions, on estime que les neutrinos électroniques O(10¹⁰) produits lors de la désintégration des kaons traversent le FASER, dont seulement ~200 peuvent être détectés ; on estime également que les neutrinos muoniques O(10¹¹) produits lors de la désintégration des pions le font, dont environ 1 200 peuvent être détectés ; et, enfin, quelques neutrinos tauoniques O(10⁸) produits lors de la désintégration de mésons enchantés, dont environ 4 peuvent être détectés. Sans aucun doute, l’article FASER avec l’analyse de ses données méritera toute notre attention.
Les premiers résultats du FASER ont été présentés dans Brian Petersen (au nom de la Collaboration FASER), « First Physics Results from the FASER Experiment », 57e Rencontres de Moriond, 19 mars 2023 [indico]. Le site FASER au CERN avec de nombreuses photos et détails du détecteur [web].
D’ailleurs, avant le démarrage du Run 3 du LHC, une version pilote de FASER appelée FASERν a observé en 2018 des neutrinos produits lors des collisions du Run 2 du LHC, comme je vous l’ai dit dans « Le premier neutrino observé au LHC grâce au prototype FASERν “, LCMF, 18 mai 2021. Leur analyse a été publiée dans la collaboration FASER, “First neutrino interaction candidates at the LHC”, Physical Review D 104 : L091101 (24 novembre 2021), doi : https://doi.org/10.1103/PhysRevD.104.L091101, arXiv:2105.06197 [hep-ex] (13 mai 2021).
Les neutrinos produits au point de collision IP1 orienté dans la direction FASER couvriront une partie du tunnel du LHC et environ 100 mètres de roche jusqu’à atteindre son détecteur à émulsion (partie rouge à droite de cette figure). Après avoir passé quelques détecteurs de scintillation, vous entrerez dans le volume de désintégration ; ici, les hypothétiques particules de faible masse devraient être générées, telles que les photons noirs de masses comprises entre 10 et 200 MeV/c², que le FASER vise à découvrir. Ces particules hypothétiques vont se désintégrer en paires de leptons chargés (comme une paire électron-positon) qui vont traverser des aimants dipolaires de 0,57 T jusqu’à atteindre un calorimètre électromagnétique (où elles offriront un double signal).
La physique des neutrinos étudiée par FASER est complémentaire de celle réalisée dans des détecteurs utilisant des faisceaux de neutrinos générés par des collisionneurs (collisions de protons contre des cibles en graphite). FASER observera des neutrinos d’énergies comprises entre 600 GeV et 1 TeV ; mettra en lumière son observation des neutrinos du tau (observés pour la première fois à cinq sigma par OPERA au Gran Sasso). Leurs futurs résultats nous offriront les observations de neutrinos les plus énergétiques produites dans les collisionneurs (bien que bien en deçà de l’énergie observée par des détecteurs comme IceCube).
Ces neutrinos ont l’avantage de connaître en détail comment ils ont été produits (collisions proton-proton à une énergie bien déterminée). Pour cette raison, ils permettront d’étudier l’universalité leptonique avec les neutrinos et de les utiliser pour mieux comprendre le contenu enchanté du proton. Mais le plus intéressant est peut-être la recherche de particules de faible masse interagissant extrêmement faiblement (et qui pourraient être produites en abondance dans les collisions du LHC sans qu’aucun détecteur ne remarque leur présence). Un bon exemple est celui des photons noirs, bosons vecteurs dont la masse est associée à une nouvelle interaction U(1) dans le modèle standard ; mais des bosons de Higgs sombres, de nouveaux leptons neutres lourds, voire (dans le futur FASER 2) des particules de type axion (ALP) seront également recherchés, tous candidats potentiels pour faire partie de la matière noire.
La première limite d’exclusion des photons noirs de masses comprises entre 10 et 200 MeV/c² a été publiée. Cette première limite d’exclusion (courbe noire avec un intervalle sigma en vert) améliore légèrement les estimations précédentes, étant comparable au nouveau résultat de NA62 (également annoncé dans Moriond). Bien sûr, ce sont des résultats préliminaires ; l’analyse définitive paraîtra lors de la publication de l’article scientifique de la collaboration FASER.
En résumé, un excellent résultat du FASER, qui est le premier détecteur à avoir observé des neutrinos produits lors de collisions proton-proton au Run 3 du LHC ; avec tous les adjectifs parce que les neutrinos du Run 2 du LHC ont déjà été observés et parce que d’autres détecteurs observent les neutrinos produits par les collisionneurs (par collisions proton-carbone, faisceaux de protons qui frappent des cibles en graphite). On ne s’attend pas à ce que le FASER apporte de grandes contributions à la physique des neutrinos ; mais qui sait, la nature nous réserve souvent des surprises inattendues.
