24 février 2016
Les neutrinos au cœur de la matière nucléaire
Les neutrinos au cœur de la matière nucléaire

Evénement ?? + n ? ?- + p, enregistré dans le détecteur proche ND280 de T2K.

Pour mesurer les oscillations de neutrinos, l’expérience T2K, utilisant le faisceau de neutrinos produit par l’accélérateur du laboratoire JPARC au Japon, compare les nombres de neutrinos muoniques et électroniques interagissant avec un détecteur proche de ceux interagissant avec un détecteur lointain. Pour ce faire, il faut maîtriser précisément la probabilité d’interaction, ou section efficace, des neutrinos avec les nucléons (protons et neutrons) des noyaux constituant la cible des détecteurs. C’est ce que réalise le groupe T2K du SPP qui a mesuré la section efficace de la réaction (νμ + n → μ- + p+), mesure faite pour la première fois dans T2K en fonction de l'impulsion et de l'angle du muon. Ceci permet d’étudier précisément les « effets nucléaires », autrement dit le fait que le neutron cible n’est pas libre mais lié au cœur de noyaux atomiques. Les résultats, en cours de publication dans Physics Review D, ouvrent la voie dans T2K à la mesure des effets nucléaires dans les interactions neutrinos/nucléons. Effets qui constituent aujourd'hui la source d'incertitude systématique la plus importante pour les futures mesures d'oscillation de neutrinos.

 
Les neutrinos au cœur de la matière nucléaire

Schéma de l’expérience T2K au Japon.

Les effets de la matière nucléaire dans les mesures d'oscillation

 

Pourquoi, après presque 50 ans d’étude des neutrinos, ne connaissons-nous pas encore assez précisément leur probabilité d'interaction avec la matière? Dans les expériences actuelles, les neutrinos n'interagissent pas avec des nucléons isolés, comme dans l'hydrogène des anciennes chambres à bulles, mais avec des nucléons liés et immergés dans la matière nucléaire. Par conséquent, la section efficace d’interaction des neutrinos avec les nucléons est modifiée par la présence d’effets nucléaires. Un des effets les plus difficiles à quantifier et à modéliser est la probabilité qu'au cours d'une interaction des pions soient produits et réabsorbés par le noyau cible. La mesure a été faite pour la première fois en incluant ces événements. Un autre effet très important, qui n'a pas encore été mesuré précisément, est l'interaction du neutrino avec un couple de nucléons corrélés au sein du noyau. Cette interaction a été calculée par un chercheur du SPhN [1,2]. La mesure effectuée par l’équipe du SPP de la section efficace, en fonction à la fois de l'impulsion et de l'angle du lepton sortant (qu’on appelle donc section efficace doublement différentielle), a permis de comparer ce calcul avec les données.

 

La maîtrise de ces effets est cruciale pour l’étude des oscillations de neutrinos qui s’appuie sur des mesures de sections efficaces. Par exemple, l'expérience T2K mesure l'oscillation des neutrinos en comparant le nombre de neutrinos du faisceau de JPARC interagissant avec le détecteur proche, ND280 situé tout près de l’accélérateur, avec le nombre de ceux interagissant avec le détecteur lointain, Super-Kamiokande situé à 295 km sur la côte opposée du Japon. Or la précision actuelle sur le modèle d'interaction des neutrinos avec les nucléons dans les noyaux n'est pas suffisante pour les mesures d'oscillation des futures expériences à très haute statistique (Hyper-Kamiokande, DUNE).

 
Les neutrinos au cœur de la matière nucléaire

Flux de neutrinos attendu en fonction de leur énergie (à gauche) et section efficace (à droite) mesurée par l’équipe T2K du SPP ('T2K Full') comparés à la simulation (en pointillés) et à d'autres mesures, dans T2K avec un sous-ensemble des événements ('T2K Restricted') ou dans l'expérience MiniBooNE.

La mesure de section efficace avec le détecteur proche de T2K

 

Les neutrinos peuvent interagir avec les nucléons contenus dans la matière des détecteurs de différentes façons. La réaction la plus fréquente à l’énergie des neutrinos de T2K (~600 MeV) est celle dite de « courant chargé quasi-élastique », où le neutrino se transforme en lepton chargé et le neutron se transforme en proton : νμ + n → μ- + p+.  C'est la section efficace de ce dernier processus que l’équipe T2K du SPP a mesurée dans le détecteur proche ND280  : σ = (0.417±0.005±0.047) 10-38 cm2/nucléon. Si l’énergie des neutrinos est plus élevée, d’autres particules sont créées en plus du muon et du proton, surtout des pions. Les interactions avec production de pions sont le bruit de fond principal dans la mesure de section efficace et ils ont été éliminés conservant une haute efficacité sur le signal grâce aux très bonnes performances des Chambres à Projection Temporelle (TPCs) de ND280 qui ont été conçues, construites et mises en œuvre par une équipe conjointe SPP-SEDI.

 

Une fructueuse ligne de recherche

 

La mesure effectuée par l’équipe T2K du SPP est au cœur des actuels débats et études sur la précision des futures expériences d'oscillation. Il n'y a aucun modèle capable des décrire précisément tous les effets nucléaires et l’incertitude due à ces effets est estimée autour de ~5-10% sur les mesures actuelles d'oscillations. Cette incertitude doit être améliorée d'un ordre de grandeur pour la prochaine génération d’expériences.  

 

La mesure des paramètres d'oscillation dépend aussi directement de l'estimation de l’énergie des neutrinos et là aussi les effets nucléaires ne peuvent pas être négligés. Dans les détecteurs Tcherenkov à eau, comme Super-Kamiokande, seul le lepton chargé produit dans l'interaction νμ + n → μ- + p+ est visible, alors que le proton sortant ne laisse aucun signal mesurable. L’énergie du neutrino doit donc être reconstruite à partir de la cinématique du lepton. La connaissance des effets nucléaires est donc capitale : par exemple, les interactions avec un couple de nucléons corrélés, modélisés par le chercheur du SPhN, induisent un large biais dans l’énergie reconstruite de neutrinos et donc dans la mesure de paramètres d'oscillation [3]. Pour mieux contrôler cet effet, l’équipe du SPP, en collaboration avec l’équipe T2K du laboratoire LPNHE, travaille maintenant sur la mesure de section efficace dans le détecteur proche ND280 en fonction de la cinématique du nucléon sortant.

 

Enfin tous ces effets nucléaires changent selon les noyaux considérés. Le détecteur proche contient des noyaux de carbone et de l’eau et le détecteur lointain est constitué d’eau. Donc pour améliorer la précision de la mesure d'oscillation, l’équipe du SPP, après avoir effectué la mesure de section efficace sur les noyaux de carbone de ND280, est déjà au travail, en collaboration avec une équipe du LLR, pour compléter la mesure sur l’eau du détecteur proche.

 

Contact : Sara Bolognesi (DRF/Irfu/SPP)

 

[1] M. Martini, M. Ericson, G. Chanfray, and J. Marteau, Phys. Rev. C 80, 065501 (2009)

[2] M. Martini, M. Ericson, G. Chanfray, and J. Marteau, Phys. Rev. C 81, 045502 (2010)

[3] M. Martini, M. Ericson, G. Chanfray, Phys.Rev. D87 (2013) 1, 013009

 

Maj : 25/02/2016 (3725)

 

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