Pourquoi les États-Unis parient tout sur la particule la plus déroutante de l’univers

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Il y a près de 14 milliards d’années, un univers est apparu dans une explosion de haute énergie impensable. Les particules ont commencé à se matérialiser à partir de cette énergie, tout comme leurs antiparticules, qui sont un peu comme des jumeaux maléfiques, une image miroir avec la charge électrique opposée. Chaque particule avait une antiparticule, les scientifiques croient, et ils s’anéantiraient dans une explosion d’énergie. La plupart des particules ont rencontré leur fin aux mains de leur antiparticule dans les premiers jours.

La plupart des particules ont atteint leur fin, dis-je, mais pas toutes. Une petite quantité de matière a persisté au-dessus de l’antimatière, et elle s’est condensée en galaxies, étoiles, planètes et éventuellement personnes. Certaines de ces personnes se sont demandé: qu’est-ce qui aurait pu être différent entre la matière et l’antimatière de telle sorte que la matière dominait? Ou, en bref: pourquoi sommes-nous ici?

Aujourd’hui, de nombreux physiciens pensent avoir identifié un panneau les guidant vers la réponse à cette question, grâce au comportement étrange de la particule de matière la plus abondante de l’univers, le neutrino, parfois appelé «particule fantôme». Le neutrino difficile à détecter semble subir un étrange processus de retournement d’identité, et si cette réaction se produit différemment entre les neutrinos et les antineutrinos, alors ce processus, appelé oscillation des neutrinos, pourrait aider les physiciens à expliquer pourquoi la matière domine sur l’antimatière. Contrairement aux dernières décennies de chasses aux particules réussies, la physique des neutrinos est un voyage vers l’inconnu, que la communauté des États-Unis a choisi de poursuivre pleinement. Une expérience phare de 2 milliards de dollars appelée LBNF / DUNE dirigera la recherche, à la recherche de réponses qui peuvent prendre des décennies ou plus à trouver.

«Je pense que nous assistons à un véritable changement dans le domaine de la physique des particules», a déclaré à Gizmodo Joe Lykken, directeur adjoint de la recherche chez Fermilab. «Pendant longtemps, il s’agissait de produire de nouvelles particules, pour lesquelles les gens ont remporté des prix Nobel. C’était bien, mais en fin de compte, notre travail en tant que scientifiques est de comprendre les processus de base de l’univers et comment il fonctionne… Il ne s’agit pas d’ajouter plus de particules à une longue liste de particules; il s’agit de savoir comment l’univers fonctionne réellement de manière fondamentale pour produire ce que nous voyons aujourd’hui. « 

Les expériences de physique des particules ressemblent invariablement à des masses géantes aux couleurs vives avec des tuyaux et des fils sortant dans toutes les directions à l’intérieur des entrepôts de la taille de Costco. Mais les détecteurs ProtoDUNE sur le campus du CERN à Genève se sont démarqués par leur dureté; ils n’étaient qu’une paire de cubes creux en acier rouge, chacun de la taille d’une maison, qui se prolongeaient profondément dans le sol et éclipsaient les ingénieurs qui se tenaient au sommet d’eux. Après ma visite de 2017, chaque conteneur vide serait rempli de 800 tonnes d’argon liquide.

«Je pense que nous assistons à un véritable changement dans le domaine de la physique des particules. Pendant longtemps, il s’agissait de produire de nouvelles particules, pour lesquelles les gens ont remporté des prix Nobel. C’était bien, mais au bout du compte, notre travail en tant que scientifiques est de comprendre les processus de base de l’univers et comment il fonctionne… »

Les neutrinos traversent directement la plupart des matières sans même une bosse, ils sont donc invisibles pour la plupart des expériences. Les détecteurs de neutrinos chassent tous sur un concept similaire: remplissez le plus grand récipient que vous pouvez imaginer avec un milieu de détection, comme de l’eau ou de l’argon liquide, et attendez que les rares interactions de neutrinos se produisent. Dans les détecteurs d’eau, les neutrinos interagissent avec certaines des molécules d’eau, produisant des particules qui à leur tour génèrent de petits éclairs de lumière détectable lorsqu’ils se déplacent plus rapidement que la vitesse à laquelle la lumière se déplace dans l’eau. Dans les détecteurs d’argon liquide, certains neutrinos interagiront avec le milieu des noyaux d’argon, éliminant les particules qui à leur tour éliminent les électrons des atomes. Les électrons dérivent en direction d’une surface chargée électriquement contenant un élément de détection de particules. Les données et les informations de synchronisation recueillies par ces détecteurs indiquent aux chercheurs d’où vient le neutrino et à propos de son énergie et de son identité.

Debout sur la plate-forme surplombant ProtoDUNE avec la physicienne du CERN Stefania Bordoni, j’ai réalisé que ces énormes cubes n’étaient qu’une fraction du dernier détecteur lointain DUNE, le plus grand des deux détecteurs de l’expérience. Il s’agissait de prototypes destinés à garantir le fonctionnement de l’équipement de production et à tester deux types différents de technologies de détection. Le détecteur lointain DUNE éclipsera finalement ProtoDUNE, avec ses 68000 tonnes d’argon liquide en quatre unités construites à 4850 pieds sous terre dans le Sanford Underground Research Facility, situé dans la mine de métaux précieux Homestake à Lead, dans le Dakota du Sud.

Mais selon la théorie de la physique la plus largement acceptée, ce n’était pas censé être comme ça.

Le physicien Wolfgang Pauli a théorisé pour la première fois les neutrinos en 1930 comme un moyen d’expliquer l’énergie manquante lors d’un processus radioactif appelé désintégration bêta. Lorsqu’un noyau atomique émet un électron, l’atome doit également cracher de l’énergie sous la forme d’une particule sans masse et sans charge. Il les a appelés neutrons. Le physicien James Chadwick a découvert une particule neutre beaucoup plus lourde dans le noyau atomique deux ans plus tard et a également appelé sa particule le neutron, alors les physiciens Edoardo Amaldi et Enrico Fermi ont commencé à appeler la plus petite particule le neutrino, en utilisant le suffixe italien -ino signifiant petit. Ce n’est qu’en 1956 que les physiciens Frederick Reines et Clyde Cowan ont découvert des neutrinos dans un réacteur nucléaire, où ils ont observé les partenaires antiparticules du neutrino, les antineutrinos, interagissant avec un proton pour produire un neutron et le partenaire antiparticule de l’électron, le positron.

Les expériences ont continué d’élargir nos connaissances sur les neutrinos. Les physiciens du Brookhaven National Lab ont découvert un neutrino qui interagirait avec les muons (une particule plus lourde liée à l’électron), qu’ils ont appelé le neutrino du muon. D’autres ont théorisé la présence d’un arôme de neutrino encore plus lourd, le neutrino tau, qui a finalement été découvert en 2000 au Fermilab dans l’Illinois.

Des indices qu’il y avait quelque chose de particulièrement étrange dans les neutrinos ont commencé à apparaître dans les années 1970. Le physicien Raymond Davis Jr. a mené une expérience impliquant un réservoir de 100 000 gallons rempli de perchloroéthylène chimique de nettoyage à sec, construit à 4850 pieds sous la surface de la mine Homestake afin de le protéger des particules de l’espace. L’expérience a détecté des neutrinos du soleil, mais seulement environ un tiers du nombre qu’ils s’attendaient à trouver. Les recherches de suivi se sont poursuivies jusqu’en 1998, lorsque l’expérience Super-Kamiokande (Super-K) au Japon a découvert que les neutrinos de l’atmosphère pouvaient osciller entre les saveurs. En 2001, l’Observatoire des neutrinos de Sudbury au Canada a découvert des oscillations de neutrinos dans les neutrinos solaires. Pour que les oscillations des neutrinos aient un sens, les neutrinos devraient avoir une masse, contrairement aux prédictions du modèle standard de physique des particules, la théorie qui a prédit l’existence des autres particules fondamentales, comme le boson de Higgs découvert en 2012.

« Le phénomène d’oscillation des neutrinos, impliquant que le neutrino a une masse, est le seul phénomène au-delà du modèle standard observé dans le laboratoire », a déclaré à Gizmodo Chang Kee Jung, professeur distingué de physique et d’astronomie à l’Université de Stony Brook. Les physiciens des particules sont toujours à la recherche de trous dans le modèle standard pour expliquer les pièces inexpliquées de notre univers, telles que matière noire. Les neutrinos ayant une masse lorsque le modèle standard prédit qu’ils ne pourraient pas pourraient donc être une incursion dans la résolution de certains de ces mystères.

En 1999, la communauté de la physique des neutrinos s’est réunie lors d’un atelier de trois jours sur la désintégration des nucléons et les détecteurs de neutrinos de la prochaine génération à l’Université de Stony Brook, dirigé par Jung, afin que les théoriciens et les expérimentateurs puissent discuter de ce qui allait suivre. Les physiciens ont commencé à rêver de détecteurs qui seraient encore plus grands et plus avancés que le Super-K de 50 000 tonnes. Les idées ont commencé à prendre forme au cours des années suivantes, alors que les physiciens ont commencé à envisager une conception de détecteur d’argon liquide «monophasé» proposée par le physicien Carlo Rubbia, ainsi qu’une autre conception «biphasée» remplie d’argon liquide et gazeux proposée par son fils, Andre Rubbia. Plusieurs groupes de physiciens ont conçu de grands projets de détection souterraine de neutrinos dans diverses installations, et la National Science Foundation a lancé un appel à propositions pour un laboratoire de sciences et d’ingénierie profondes souterraines (DUSEL) qui comprendrait non seulement la physique des neutrinos mais d’autres projets de science et d’ingénierie extrêmes. ainsi que. Ils se sont finalement installés sur le site de Homestake, mais le National Science Board en charge des politiques de la NSF a décidé de ne pas aller de l’avant avec le projet.

Pendant ce temps, la communauté américaine de la physique réfléchissait à la construction d’une autre énorme expérience, l’International Linear Collider (ILC). Mais finalement, l’ILC a également été rejetée, laissant un vide où les États-Unis auraient pu avoir une expérience phare de physique de plusieurs milliards de dollars, a déclaré Jung. À ce moment-là, le Bureau de la politique scientifique et technologique de la Maison Blanche et l’Académie nationale des sciences ont commencé à reconnaître l’importance de la physique des neutrinos et à construire un laboratoire souterrain pour l’étudier, selon un Rapport 2003: «Un laboratoire souterrain profond peut abriter une nouvelle génération d’expériences qui feront progresser notre compréhension des propriétés fondamentales des neutrinos et des forces qui régissent les particules élémentaires, ainsi que de faire la lumière sur la nature de la matière noire qui maintient l’univers ensemble . Les découvertes récentes sur les neutrinos, les nouvelles idées et technologies et le leadership scientifique qui existe aux États-Unis rendent le moment propice pour construire une installation aussi unique. »

Reconnaissant le vide laissé par l’ILC et sans DUSEL, le département américain de l’Énergie a décidé de reprendre le programme de physique souterraine des neutrinos. En 2007, les physiciens ont commencé présenter des études contenant diverses conceptions pour la Long Baseline Neutrino Experiment, un accélérateur de particules amélioré qui enverrait un faisceau de neutrinos à travers environ 800 miles de la Terre avant de frapper un détecteur profondément sous terre. À cette distance, les physiciens espéraient pouvoir repérer les neutrinos en échangeant les saveurs entre quitter l’accélérateur et arriver au détecteur lointain.

Cette configuration expérimentale fournirait également un moyen de rechercher une violation de symétrie de charge / parité (CP), des endroits où la matière agit différemment de l’antimatière. Si un neutrino muon produit dans l’accélérateur de particules arrive en tant que neutrino électronique au détecteur lointain à une vitesse différente de celle du même processus dans les antineutrinos, les physiciens des neutrinos seraient en mesure de confirmer que les neutrinos diffèrent de leur antiparticule.

Le seul problème était que les physiciens ne savaient pas si les neutrinos électroniques allaient réellement apparaître dans leurs détecteurs.

En 2012, les physiciens avaient élaboré une théorie assez robuste entourant les oscillations des neutrinos, concevant une multitude de paramètres décrivant ensemble le comportement oscillant. Mais de tous ces nombres, le moins connu était appelé «θ13» ou thêta 1-3. L’avenir de la physique des neutrinos dépend de ce chiffre.

« Si ce paramètre avait été nul, il n’y aurait eu pratiquement aucune apparence de neutrino électronique », m’a expliqué Elizabeth Worcester, coordinatrice physique pour DUNE. « La probabilité que les neutrinos muons oscillent en neutrinos électroniques aurait été presque nulle, donc toutes ces expériences (proposées) n’auraient pas du tout pu rechercher l’oscillation des neutrinos. »

«C’était tout simplement évident à l’œil nu, et les gens ont été complètement époustouflés.

À la fin de 2011, six détecteurs placés à la fois près et loin de la centrale nucléaire de Daya Bay à Shenzhen, en Chine, attendaient que les neutrinos disparaissent. Ces détecteurs ont été conçus uniquement pour mesurer les neutrinos électroniques. Cela signifie que, si les neutrinos oscillaient, le détecteur proche détecterait plus de neutrinos que le détecteur éloigné car les neutrinos changeaient d’identité. Cette disparition permettrait aux physiciens de calculer la valeur du paramètre thêta 1-3.

En avril 2012, l’équipe de Daya Bay a publié des résultats meilleurs qu’elle n’aurait pu l’espérer. Non seulement les neutrinos électroniques ont disparu, mais la valeur calculée de thêta 1-3 était étonnamment élevée. Cela signifiait que les physiciens pourraient voir les neutrinos osciller sur la distance de 800 miles entre un faisceau de neutrinos du Fermilab et un détecteur de la mine Homestake et qu’une telle expérience serait en mesure de voir si les neutrinos violaient ou non la symétrie CP.

« C’était juste évident à l’œil nu, et les gens ont été complètement époustouflés », a déclaré Worcester.

D’autres expériences, comme T2K, un faisceau de particules dirigeant les neutrinos vers le détecteur Super-K, ont mesuré l’effet inverse: des neutrinos apparaissant soudainement dans des détecteurs. La communauté des neutrinos était prête à construire l’expérience neutrino de leurs rêves. le Volet de priorisation du projet de physique des particulesLe conseil consultatif a souligné l’importance d’une expérience sur les neutrinos à longue distance dans son rapport de 2014, et l’expérience sur les neutrinos à longue distance s’est rapidement transformée en une collaboration internationale basée au Fermilab. Cette collaboration est devenue l’expérience Deep Underground Neutrino (DUNE), maintenant appelée LBNF / DUNE (LBNF pour Long Baseline Neutrino Facility).

La phase de pré-excavation a déjà commencé à préparer la mine pour un projet aussi massif. En fin de compte, ils creuseront une masse de roche pesant plus de deux bâtiments de l’Empire State, dont ils auront besoin pour élever un puits et installer un tapis roulant afin de le jeter dans une ancienne zone minière. Ils devront également mettre à niveau le système de ventilation et l’infrastructure de l’ancienne mine afin qu’au moins 144 personnes (ou plus) puissent entrer dans le laboratoire en même temps, Jaret Heise, directeur de la liaison scientifique au Sanford Underground Research Facility dans l’ancien Homestake Le mien a dit à Gizmodo.

Pendant ce temps, au Fermilab, des mises à niveau des accélérateurs sont en cours. Dans un entrepôt derrière des blocs de béton, les scientifiques ont travaillé sur ce qui ressemble à un train d’équipements physiques: des tuyaux de couleur cuivre et des fils sans fin entourant des composants tels que des résonateurs et des aimants chargés d’accélérer les impulsions de protons. En fin de compte, cette pièce deviendra le Plan d’amélioration des protons II de 820 pieds de long, un nouvel accélérateur de particules en ligne droite qui alimentera les protons dans la suite existante d’accélérateurs de particules du Fermilab. En fin de compte, le puissant faisceau de protons frappera une cible, produisant des particules qui à leur tour produisent les neutrinos. Ces neutrinos voyageront d’abord à travers un détecteur proche, qui caractérisera la composition des neutrinos dans le faisceau et mesurera comment les neutrinos interagissent avec la matière. De là, les neutrinos se rendront au détecteur lointain. Le cœur de l’expérience de symétrie CP consiste à comparer la composition du faisceau de neutrinos dans le détecteur proche et le détecteur lointain pour les neutrinos et les antineutrinos.

Lorsque la science commence dans l’installation (il est prévu que les données commencent à être collectées à la fin des années 2020), les physiciens espèrent que LBNF / DUNE sera l’expérience ultime sur les neutrinos et la première installation de physique des hautes énergies aux États-Unis, Paul Dabbar, sous-secrétaire à la science au ministère de l’Énergie, a déclaré Gizmodo. Non seulement il comparera les oscillations entre les neutrinos et les antineutrinos, mais il tentera de résoudre un autre mystère concernant la masse du neutrino. Non seulement il y a trois saveurs de neutrinos, mais il y a aussi trois masses, appelées m1, m2 et m3, et les trois masses ne s’alignent pas proprement avec les trois saveurs (blâmer la mécanique quantique). Les scientifiques espèrent comprendre si m3 est plus lourd ou plus léger que m1 et m2, ce qui a des implications pour comprendre comment les particules se sont comportées dans l’univers primitif. De plus, les physiciens ont théorisé un nouveau type de particule, appelé neutrino droitier, qui offrirait un mécanisme pour donner de la masse aux neutrinos et pourrait peut-être faire partie de l’histoire pour expliquer pourquoi il y a plus de matière que d’antimatière. De plus, il existe déjà des indices d’un quatrième type de neutrino, appelé neutrino stérile, apparaissant dans expériences existantes. Si les physiciens ont de la chance, une supernova explosera dans notre galaxie à un moment donné de ce siècle, à partir de laquelle DUNE pourra détecter les neutrinos.

Même avec tout ce travail, nous n’obtiendrons pas de réponse définitive à « pourquoi y a-t-il plus de matière que d’antimatière? » Si DUNE mesure l’asymétrie du CP, cela offrirait au moins une preuve plus forte que les scientifiques sont sur la bonne voie, a déclaré à Gizmodo Edward Blucher, co-porte-parole de DUNE et professeur de physique à l’Université de Chicago. Nous espérons que DUNE sera extrêmement sensible aux différences entre la façon dont les neutrinos et les antineutrinos oscillent et sera en mesure de démontrer si les deux processus sont différents ou non. Tout récemment, la collaboration T2K a publié une mesure montrant des indices que les deux sont en effet différents. Mais en 1967, le physicien Andrei Sakharov a proposé qu’il y ait en fait trois conditions qui doivent être remplies pour générer la différence observable entre la quantité de matière et d’antimatière, et la violation de CP n’est qu’une de ces trois. Les physiciens sont en train de rechercher d’autres processus, tels que ceux où certaines caractéristiques centrales des protons et des neutrinos changent, comme dans le cas d’une décomposition du proton ou d’un neutrino s’anéantissant. Ensemble, ces découvertes doivent également s’insérer dans un modèle de l’évolution de l’univers qui prédit réellement la différence observée dans les abondances, Silvia Pascoli, professeure de physique à l’Université de Durham au Royaume-Uni. dit précédemment Gizmodo.

Pour tout ce que nous savons, répondre à la question «pourquoi sommes-nous ici?» pourrait prendre des décennies ou plus. Et peut-être qu’il est impossible de savoir jamais. Peut-être que l’univers n’a jamais voulu créer la même quantité de matière et d’antimatière dès le départ, sans aucune raison.

« Je pense que les grandes questions liées à l’origine de l’univers sont ce qui a attiré beaucoup d’entre nous vers la physique. »

Mais cela fait partie de ce qui rend le LBNF / DUNE spécial; les scientifiques plongent la tête la première dans l’inconnu avec une machine optimisée pour le faire. Et les physiciens de LBNF / DUNE se rendent compte qu’ils jouent à un long jeu qui pourrait ne pas se terminer de leur vivant.

« Je pense que les grandes questions liées à l’origine de l’univers sont ce qui a attiré beaucoup d’entre nous vers la physique, et c’est important et une partie de la façon dont nous expliquons pourquoi nous voulons faire ces mesures », a déclaré Worcester à Gizmodo. «Mais la plus grande partie de notre quotidien est« le code de mon élève ne se compile pas, comment le corriger pour le faire fonctionner ».» Les grandes questions obtiennent plus de financement, mais ces engagements sont divisés en plus petits mais toujours des problèmes scientifiquement intéressants qui entrent dans la construction de parties du détecteur et le développement d’outils pour répondre à des questions plus petites afin de réduire les plus grandes.

Il y a bien sûr d’autres raisons de construire un projet aussi important. Le LBNF / DUNE sera une expérience internationale qui favorise la collaboration mondiale en physique, comme le fait le CERN. Il sera en concurrence avec le successeur de Super-K, Hyper-Kamiokande, afin de produire deux mesures indépendantes de la violation de CP. Et, comme toutes les grandes entreprises d’accélération, la nouvelle technologie non physique sera inévitablement un effet secondaire. Ces progrès peuvent conduire à de meilleurs accélérateurs de particules utilisés pour le traitement du cancer, et les cavités radiofréquence utilisées pour accélérer les particules pourraient un jour être utiles pour l’informatique quantique.

En fin de compte, cette expérience représente une tentative de sonder des fissures inexplorées dans le modèle standard de la physique des particules. Le boson de Higgs a marqué la fin d’une époque où deux équipes du CERN l’ont découvert en 2012: c’était une particule déjà prévue par les lois physiques connues, et la plupart des physiciens s’attendaient à ce qu’il soit retrouvé.

Mais avec les neutrinos, il n’est pas évident qu’une réponse sera trouvée si seulement nous pouvons construire une expérience suffisamment grande. Peu importe ce que les physiciens trouvent au LBNF / DUNE, ce sera nouveau et pourrait les rapprocher de plus en plus de la résolution de certains de ces cas en suspens que le modèle standard n’a pas expliqué. En vérité, la science des neutrinos se trouve au précipice de l’inconnu.

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