Yurii Mongol
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L'étude du monde subatomique a révolutionné notre compréhension des lois de l'univers et a donné à l'humanité une vision sans précédent de questions profondes. Historiquement, ces questions ont été dans le domaine philosophique: comment l'univers est-il né? Pourquoi l'univers est-il tel qu'il est? Pourquoi y a-t-il quelque chose, au lieu de rien?
Eh bien, passez à la philosophie, car la science a franchi une étape cruciale dans la construction de l'équipement qui nous aidera à répondre à des questions comme celles-ci. Et cela implique de projeter des particules fantomatiques appelées neutrinos littéralement à travers la Terre sur une distance de 800 miles (près de 1300 kilomètres) d'un laboratoire de physique à un autre..
Un groupe international de physiciens a annoncé avoir vu les premiers signaux dans un détecteur en forme de cube appelé ProtoDUNE. Il s'agit d'un très gros tremplin dans l'expérience DUNE, qui sera le programme phare de recherche en physique des particules en Amérique pour les deux prochaines décennies. ProtoDUNE, qui a la taille d'une maison de trois étages, est un prototype des détecteurs beaucoup plus grands qui seront utilisés dans l'expérience DUNE et l'annonce d'aujourd'hui (18 septembre) démontre que la technologie qui a été sélectionnée fonctionne. [Les 18 plus grands mystères non résolus de la physique]
Les détecteurs DUNE seront situés au Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), juste à l'extérieur de Chicago, et au Sanford Underground Research Facility (SURF), à Lead, dans le Dakota du Sud. Lorsque l'expérience est en marche, un puissant accélérateur de particules du Laboratoire Fermi produira un faisceau intense de particules subatomiques appelées neutrinos, les projettera littéralement à travers la Terre, pour être détecté à SURF.
Les neutrinos sont les fantômes du monde subatomique, capables de traverser la planète entière sans presque aucune interaction. Les neutrinos ont surpris les scientifiques à plusieurs reprises dans le passé. De leur capacité sans précédent à traverser la matière sans interagir, au fait qu'ils traitent la matière et l'antimatière très différemment, à leur capacité à se transformer d'une version en une autre, les neutrinos continuent de fasciner la communauté scientifique mondiale. Ce sont ces deux dernières propriétés que l'expérience DUNE va étudier.
L'antimatière est quelque chose qui ressemble à de la science-fiction, mais c'est assurément réel. L'antimatière est l'opposé de la matière; réunissez la matière et l'antimatière et ils s'anéantiront en énergie pure. L'antimatière a été proposée en 1928 et observée pour la première fois en 1931. Dans les décennies qui ont suivi, les scientifiques (moi y compris) l'ont étudiée avec des détails atroces. Surtout, c'est compris, avec un mystère très vexant qui reste. Lorsque nous convertissons l'énergie en antimatière, nous fabriquons une quantité identique de matière. C'est une science bien établie. Ce n'est pas le problème.
Le problème est que si nous combinons cette observation avec l'idée du Big Bang, quelque chose ne va pas ensemble. Après tout, peu de temps après le Big Bang, l'univers était plein d'énergie, qui aurait dû se transformer également en matière et en antimatière. Pourtant, notre univers est entièrement fait de matière. Alors, où est passée cette antimatière? Cette question reste sans réponse; mais peut-être qu'une étude attentive des neutrinos de la matière et de l'antimatière pourrait révéler une différence. [Big Bang to Civilization 10 événements étonnants sur l'origine]
Comme d'autres particules subatomiques, les neutrinos et les neutrinos d'antimatière, appelés antineutrinos, ont une quantité appelée spin, qui a une ressemblance passagère, bien qu'imparfaite, avec de petites boules tournantes. Les neutrinos et les antineutrinos tournent dans des directions opposées. Si vous tirez un faisceau de neutrinos pour qu'il vienne vers vous, vous pouvez fixer l'axe de rotation des neutrinos; vous les verriez tourner dans le sens des aiguilles d'une montre, tandis que les antineutrinos tournent dans la direction opposée. Parce que le spin des neutrinos et des antineutrinos est le contraire, cela identifie une différence entre les deux. Peut-être que cette différence est un signe que l'étude de la matière et des analogues d'antimatière des neutrinos éclairera ce mystère..
Il y a une autre propriété des neutrinos qui les rend intéressants dans l'énigme de l'antimatière manquante… ils peuvent passer d'une identité à une autre. Les scientifiques ont trouvé trois types distincts de neutrinos. Un type est associé aux électrons et est appelé neutrinos électroniques. Les deux autres sont associés à deux autres particules subatomiques appelées le muon et le tau, qui sont des cousins lourds de l'électron.
Si vous commencez avec un tas de neutrinos électroniques et que vous les examinez un peu plus tard, vous constaterez qu'il y a moins de neutrinos électroniques que vous avez commencé, mais il y a suffisamment de neutrinos muons et tau pour combler le déficit. Les neutrinos ne se désintègrent pas; ils se transforment l'un en l'autre.
C'est comme si vous aviez une pièce pleine de 100 chiens et, quand vous avez regardé plus tard, il y avait 80 chiens, 17 chats et trois perroquets. Si tu regardais encore plus tard, le mix serait encore différent.
Le morphing, ce que les scientifiques appellent oscillation, des neutrinos est également une physique bien établie. Les chercheurs le soupçonnent depuis les années 1960; ils étaient à peu près certains que c'était réel en 1998, et ils ont décroché l'argument en 2001. L'oscillation des neutrinos se produit et sa découverte a reçu le prix Nobel de physique 2015.
L'expérience DUNE a plusieurs objectifs de recherche, mais le plus urgent est peut-être de mesurer d'abord l'oscillation des neutrinos, puis l'oscillation des antineutrinos. S'ils sont différents, il se peut que la compréhension de ce processus plus en détail nous aidera à comprendre pourquoi l'univers est composé uniquement de matière. En bref, cela pourrait expliquer pourquoi nous existons du tout.
L'expérience DUNE consistera en deux complexes de détecteurs, un plus petit au Fermilab et quatre plus grands situés à SURF. Un faisceau de neutrinos quittera Fermilab et se dirigera vers les détecteurs éloignés. Les proportions des différents types de neutrinos seront mesurées au niveau des détecteurs au Laboratoire Fermi et à SURF. Les différences causées par l'oscillation des neutrinos seront mesurées, puis le processus sera répété pour les antineutrinos.
La technologie qui sera utilisée dans les expériences DUNE implique de grandes cuves d'argon liquide, dans lesquelles les neutrinos interagiront et seront détectés. Chacun des plus grands détecteurs situés à SURF sera aussi haut et aussi large qu'un bâtiment de quatre étages et plus long qu'un terrain de football. Chacun contiendra 17000 tonnes d'argon liquide.
Le détecteur ProtoDUNE est un prototype beaucoup plus petit, composé de seulement 800 tonnes d'argon liquide. Le volume est assez grand pour englober une petite maison. La collaboration des scientifiques de DUNE est mondiale, attirant des chercheurs du monde entier. Si Fermilab est le laboratoire hôte, d'autres laboratoires internationaux sont également impliqués. L'une de ces installations est le CERN, le laboratoire européen de physique des particules, situé juste à l'extérieur de Genève, en Suisse. Le détecteur ProtoDUNE est situé au CERN, renforçant encore une longue relation entre les laboratoires - par exemple, Fermilab a longtemps été impliqué dans la recherche utilisant les données enregistrées par le grand collisionneur de hadrons du CERN. DUNE est le premier investissement du CERN dans une expérience menée dans un laboratoire aux États-Unis.
L'annonce d'aujourd'hui est importante, prouvant que la technologie d'argon liquide qui constituera le cœur de l'expérience DUNE était un bon choix. Un deuxième détecteur ProtoDUNE sera mis en service dans quelques mois. La deuxième version utilise une technologie légèrement différente pour observer les traces de particules causées par de rares interactions neutrinos. Les résultats des tests de ces deux détecteurs guideront les scientifiques vers une décision sur la conception finale des composants du détecteur. DUNE sera construit au cours de la prochaine décennie et les premiers modules de détection devraient être opérationnels en 2026.
Don Lincoln est chercheur en physique au Laboratoire Fermi. Il est l'auteur de "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind" (Johns Hopkins University Press, 2014), et il produit une série de vidéos sur l'enseignement des sciences. Suivez-le sur Facebook. Les opinions exprimées dans ce commentaire sont les siennes.
Don Lincoln a contribué à cet article à 's Expert Voices: Op-Ed & Insights.