Des scientifiques observent pour la première fois des neutrinos grâce à un prototype de détecteur

Dans une étape majeure de l’expérience internationale sur les neutrinos dans les profondeurs souterraines (DUNE), les scientifiques ont détecté les premiers neutrinos à l’aide d’un prototype de détecteur de particules DUNE au Laboratoire national de l’accélérateur Fermi (Fermilab) du département américain de l’Énergie.

La nouvelle technologie révolutionnaire au cœur du nouveau prototype de détecteur de DUNE est LArPix, un capteur pixellisé de bout en bout innovant et un système électronique capable d’imager les événements de neutrinos en véritable 3D qui a été conçu, conçu et construit par une équipe de physiciens et d’ingénieurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et installé au Fermilab plus tôt cette année.

DUNE, actuellement en construction, sera l’expérience neutrino la plus complète au monde. Elle permettra aux scientifiques d’explorer de nouveaux domaines de recherche sur les neutrinos et de résoudre certains des plus grands mystères de la physique de l’univers, notamment la recherche de l’origine de la matière et l’étude des supernovae et de la formation des trous noirs.

Étant donné que DUNE sera doté de nouvelles conceptions et technologies, les scientifiques testent des prototypes d’équipements et de composants en vue de l’installation finale du détecteur. En février, l’équipe DUNE a terminé l’installation de son dernier prototype de détecteur sur la trajectoire d’une ligne de faisceau de neutrinos existante au Fermilab. Le 10 juillet, l’équipe a annoncé avoir enregistré avec succès ses premiers neutrinos produits par un accélérateur dans le détecteur prototype, une étape vers la validation de la conception.

« Il s’agit d’une étape véritablement historique qui démontre le potentiel de cette technologie », a déclaré Louise Suter, scientifique du Fermilab qui a coordonné l’installation du module. « C’est fantastique de voir cette validation du travail acharné consacré à la conception, à la construction et à l’installation du détecteur. »

Le laboratoire de Berkeley dirige l’intégration technique du nouveau système de détection de neutrinos, qui fait partie du complexe de détecteurs de proximité de DUNE qui sera construit sur le site du Fermilab. Son prototype, appelé prototype 2×2 parce qu’il comporte quatre modules disposés en carré, enregistre les traces de particules avec des chambres de projection temporelle à argon liquide.

« DUNE avait besoin d’un détecteur TPC à argon liquide (LArTPC) capable de supporter un environnement de haute intensité, mais cela était considéré comme impossible », a déclaré Dan Dwyer, responsable du groupe de physique des neutrinos du laboratoire de Berkeley et responsable technique du projet pour le consortium ND-LAr, qui a contribué à la conception et à la fabrication du nouveau système. « Avec l’invention de LArPix, notre équipe du LBNL a fait de ce rêve une réalité. Le démonstrateur 2×2 désormais installé à DUNE combine notre lecture 3D réelle avec des détecteurs de lumière à couverture élevée, produisant ainsi un détecteur de particules vraiment innovant. »

Brooke Russell, ancienne boursière postdoctorale Chamberlain au Berkeley Lab et aujourd’hui boursière spéciale Neil et Jane Pappalardo en physique au MIT, a joué un rôle crucial dans le développement du prototype 2×2, qu’elle décrit comme « un détecteur unique en son genre, avec plus de 337 000 pixels individuels sensibles à la charge avec une granularité d’environ 4 millimètres ». Le Berkeley Lab a dirigé la conception, la construction et les tests du système de lecture de charge pixellisé de bout en bout pendant la pandémie de COVID-19.

« Le fonctionnement du prototype 2×2 dans un faisceau de neutrinos ouvrira la voie à une nouvelle ère d’images LArTPC haute fidélité et intrinsèquement 3D pour les mesures d’interaction des neutrinos », a déclaré Russell.

La version finale du détecteur proche DUNE comportera 35 modules d’argon liquide, chacun plus grand que ceux du prototype. Ces modules permettront de gérer l’énorme flux de neutrinos attendu sur le site proche.

Le prototype 2×2 met en œuvre de nouvelles technologies qui permettent un nouveau régime d’imagerie de neutrinos détaillé et de pointe pour gérer les conditions uniques de DUNE. Il dispose d’un système de lecture de pixels de la taille d’un millimètre, développé par une équipe du Berkeley Lab, qui permet une imagerie 3D de haute précision à grande échelle. Ceci, associé à sa conception modulaire, distingue le prototype des détecteurs de neutrinos précédents comme ICARUS et MicroBooNE.

Désormais, le prototype 2×2 fournit les premières données sur les neutrinos accélérateurs à être analysées et publiées par la collaboration DUNE.

DUNE est divisé entre deux sites distants de plusieurs centaines de kilomètres : un faisceau de neutrinos provenant du Fermilab, près de Chicago, passera par un détecteur de particules situé sur le site du Fermilab, puis parcourra 800 miles à travers le sol jusqu’à plusieurs énormes détecteurs au Sanford Underground Research Facility (SURF) dans le Dakota du Sud.

Le détecteur DUNE du Fermilab analysera le faisceau de neutrinos à proximité de son origine, là où il est extrêmement intense. Les chercheurs s’attendent à ce que ce détecteur proche enregistre environ 50 interactions par impulsion, qui se produiront chaque seconde, ce qui représente des centaines de millions de détections de neutrinos au cours des nombreuses années de fonctionnement prévues de DUNE. Les scientifiques utiliseront également DUNE pour étudier l’équivalent antimatière des neutrinos, les antineutrinos.

Ce flux sans précédent de neutrinos et d’antineutrinos produits par les accélérateurs permettra d’atteindre les objectifs scientifiques ambitieux de DUNE. Les physiciens étudieront les particules avec les détecteurs proches et lointains de DUNE pour en savoir plus sur la façon dont elles changent de type au cours de leur déplacement, un phénomène connu sous le nom d’oscillation des neutrinos. En recherchant les différences entre les oscillations des neutrinos et les oscillations des antineutrinos, les physiciens chercheront des preuves d’une rupture de symétrie connue sous le nom de violation CP pour déterminer si les neutrinos pourraient être responsables de la prévalence de la matière dans notre univers.

La collaboration DUNE regroupe plus de 1 400 scientifiques et ingénieurs issus de plus de 200 institutions de recherche. Près de 40 de ces institutions travaillent sur le détecteur proche. Plus précisément, le développement matériel du prototype 2×2 a été dirigé par l’Université de Berne en Suisse, le Fermilab du DOE, le Berkeley Lab et le SLAC National Accelerator Laboratory, avec des contributions importantes de nombreuses universités.

« Le démonstrateur 2×2 a été un véritable travail de passion », a déclaré Dwyer. « Tout a commencé avec quelques équipes dévouées qui ont vu le potentiel de ces nouvelles technologies pour former un détecteur de particules exceptionnel. Maintenant que le projet avance, les résultats sont très impressionnants et ces images spectaculaires du démonstrateur 2×2 prouvent que nous étions sur la bonne voie. »

« C’est formidable de constater le succès de la technologie que nous avons développée pour mesurer les neutrinos dans un faisceau d’une telle intensité », a déclaré Michele Weber, professeur à l’Université de Berne, où le concept de conception modulaire est né et où les quatre modules ont été assemblés et testés, et qui dirige les efforts derrière le nouveau système de détection de particules. « Une démonstration réussie de la capacité de cette technologie à enregistrer simultanément plusieurs interactions de neutrinos ouvrira la voie à la construction du détecteur proche à argon liquide DUNE. »

Prochaines étapes

Il est nécessaire de tester le prototype 2×2 pour démontrer que la conception et la technologie innovantes sont efficaces à grande échelle pour répondre aux exigences du détecteur proche. Un détecteur modulaire à argon liquide capable de détecter des taux élevés de neutrinos et d’antineutrinos n’avait jamais été construit ni testé auparavant.

La ligne de faisceau existante du Fermilab est un endroit idéal pour les tests et offre aux chercheurs une opportunité passionnante de mesurer ces mystérieuses particules. Elle fonctionne actuellement en « mode antineutrino », c’est pourquoi les scientifiques de DUNE utiliseront le prototype 2×2 pour étudier les interactions entre les antineutrinos et l’argon.

Lorsque les antineutrinos entrent en collision avec des atomes d’argon, comme ce sera le cas dans le détecteur proche rempli d’argon, ils interagissent et produisent d’autres particules. Le prototype observera quels types de particules sont produites et à quelle fréquence. L’étude de ces interactions entre antineutrinos préparera les scientifiques à comparer les oscillations des neutrinos et des antineutrinos avec DUNE.

« L’analyse de ces données est une excellente occasion pour nos scientifiques en début de carrière d’acquérir de l’expérience », a déclaré Kevin Wood, coordinateur de la première exécution du prototype 2×2 et boursier postdoctoral Chamberlain au Berkeley Lab, où le nouveau système de lecture du prototype a été développé. « Les interactions de neutrinos imagées par le prototype 2×2 fourniront un ensemble de données très attendu pour nos étudiants diplômés, postdoctorants et autres jeunes collaborateurs, qui pourront les analyser alors que nous continuons à préparer la mise en service de DUNE. »

La collaboration DUNE prévoit de bombarder le prototype 2×2 avec les neutrinos du faisceau du Fermilab pendant plusieurs mois.

Sergio Bertolucci, professeur de physique à l’Université de Bologne en Italie et co-porte-parole de DUNE avec Mary Bishai du Brookhaven National Laboratory, a déclaré : « Il s’agit d’une étape passionnante pour l’équipe 2×2 et l’ensemble de la collaboration DUNE. Que ce soit la première d’une longue série d’interactions de neutrinos pour DUNE. »