Une nouvelle analyse examine de plus près le neutrino stérile

Un nouveau résultat de l’expérience MicroBooNE au Fermi National Accelerator Laboratory du département américain de l’énergie sonde le modèle standard, la meilleure théorie des scientifiques sur le fonctionnement de l’univers. Le modèle suppose qu’il existe trois types de neutrinos. Pourtant, pendant plus de deux décennies, un quatrième type de neutrino proposé est resté une explication prometteuse des anomalies observées dans les expériences de physique antérieures. Trouver le neutrino stérile théorisé serait une découverte majeure et un changement radical dans notre compréhension de l’univers.

La nouvelle analyse compare les données de l’expérience à un modèle avec un quatrième, neutrino stérile pour tester leur compatibilité. Les scientifiques de MicroBooNE n’ont trouvé aucune preuve du neutrino stérile longtemps recherché dans la gamme de paramètres explorée.

La possibilité que des neutrinos stériles aient causé les anomalies encore inexpliquées signalées par les expériences précédentes demeure. Il s’agit notamment des mesures du détecteur de neutrinos à scintillateur liquide du Laboratoire national de Los Alamos, de l’expérience MiniBooNE du Fermilab et de plusieurs expériences de neutrinos radiochimiques et de réacteurs nucléaires.

“C’est la première fois que nous vérifions si nos données correspondent à un modèle spécifique de neutrinos stériles”, a déclaré Matt Toups, scientifique du Fermilab et co-porte-parole de MicroBooNE. “Nous avons exclu de grandes sections de l’espace de paramètres de neutrinos stériles autorisé par LSND. Mais il y a encore des coins où un neutrino stérile pourrait potentiellement se cacher.”

Alors que la version la plus basique d’un neutrino stérile devient moins probable, d’autres types de physique plus subtils pourraient être en jeu. Par exemple, il pourrait y avoir un neutrino stérile travaillant en combinaison avec quelque chose d’autre, comme la matière noire. Ou il pourrait y avoir des explications complètement différentes pour les anomalies. Une physique inexpliquée liée au boson de Higgs ou à d’autres physiques au-delà du modèle standard pourrait en être la cause.

“Dans ce travail, nous avons trouvé une interaction importante entre l’apparition et la disparition des neutrinos, qui n’avait pas été prise en compte dans les travaux expérimentaux précédents. Cela a des conséquences importantes sur le résultat de la recherche”, a déclaré Xiangpan Ji, chercheur postdoctoral au Laboratoire national de Brookhaven du DOE, qui est l’un des co-responsables de cette analyse.

Comme les résultats de 2021, la nouvelle découverte n’utilise que la moitié de l’ensemble de données de MicroBooNE. Les chercheurs continueront à rechercher des signaux potentiels de neutrinos stériles dans les analyses futures. Ils étendront également leurs analyses à l’ensemble de données complet.

Le détecteur de neutrinos MicroBooNE de 170 tonnes a collecté des données de 2015 à 2021. Il a enregistré des centaines de milliers de neutrinos spectaculairement détaillés. Images 3D d’événements neutrinos. Près de 200 collaborateurs de 39 institutions de cinq pays ont construit et dirigé l’expérience et travaillent actuellement à l’analyse des données. La collaboration prévoit de publier les premiers résultats de l’ensemble de données complet en 2023.

MicroBooNE est l’un des trois détecteurs de particules qui composent le programme Short-Baseline Neutrino du Laboratoire Fermi. ICARUS et le Short-Baseline Near Detector sont les deux autres détecteurs. Ensemble, ils permettent l’exploration détaillée des propriétés des neutrinos. En particulier, ils examinent les oscillations des neutrinos à basse énergie et à courte distance. Les scientifiques espèrent que les mesures combinées de ces trois détecteurs résoudront complètement les anomalies dans les mesures de neutrinos observées par LSND et MiniBooNE.

L’année prochaine, les scientifiques de MicroBooNE prévoient également de rendre compte de modèles de neutrinos stériles utilisant les données de deux faisceaux de neutrinos d’énergies différentes, une caractéristique unique du complexe d’accélérateurs Fermilab. Jusqu’à présent, ce résultat de MicroBooNE reposait sur les neutrinos fournis par le Booster Neutrino Beam du Laboratoire Fermi, produits par des protons d’une énergie de 8 milliards d’électronvolts (GeV). Mais le détecteur MicroBooNE a également enregistré des interactions de neutrinos provenant de l’accélérateur de l’injecteur principal du Laboratoire Fermi, produits par des protons de 120 GeV.

“Notre capacité à explorer neutrinos stériles et les interactions rares seront améliorées lorsque nous ajouterons les données du faisceau de neutrinos de l’injecteur principal du Fermilab », a déclaré Hanyu Wei, professeur de physique à la Louisiana State University et co-responsable de l’analyse des neutrinos stériles. « L’interaction entre les deux faisceaux ‘ les données seront intéressantes, pas seulement plus de statistiques.”

En plus de se pencher sur la question des neutrinos stériles, MicroBooNE recherchera également d’autres phénomènes au-delà du modèle standard et fournira des mesures précises de la façon dont les neutrinos interagissent avec la matière.

“Les neutrinos continuent d’être l’une des particules les plus étranges et les plus intéressantes. Ils sont l’une de nos meilleures opportunités d’étudier la nouvelle physique au-delà du modèle standard”, a déclaré Justin Evans, scientifique à l’Université de Manchester et co-porte-parole de MicroBooNE. “Il y a tellement de physique incroyable des neutrinos que MicroBooNE peut faire. Nous sommes ravis de voir ce qui nous attend d’autre dans les données.”