17 juin 2011

Des neutrinos en flagrant délit de métamorphose

Neutrino électron dans le détecteur lointain Super-Kamiokande. Les points correspondent à la détection de lumière Tcherenkov par des photomultiplicateurs localisés sur les parois de la cuve géante. Le cercle identifie un électron produit par l’interaction du neutrino électron avec l’eau de la cuve. Cet événement est parfaitement synchrone avec la production du neutrino (muon) produit à JPARC et vu dans le détecteur proche.

Les physiciens de l’expérience T2K au Japon, parmi lesquels ceux du CEA/Irfu et du CNRS/IN2P3, observent pour la première fois une indication de la transformation de neutrinos muons en neutrinos électrons. Dans un ensemble de données collectées avant le tremblement de terre du 11 mars 2011, six neutrinos de saveur muon se seraient métamorphosés en neutrinos de saveur électron.

L’observation, probable à plus de 99%, de ce phénomène constituerait une découverte majeure dans la compréhension de la physique des particules élémentaires et ouvrirait la voie à de nouvelles études sur l’asymétrie entre la matière et l’antimatière.

T2K pour "Tokai to Kamiokande"

L’expérience T2K au Japon étudie le mécanisme d’oscillation quantique de neutrinos, un phénomène selon lequel les neutrinos auraient une aptitude « transformiste ». Les neutrinos existent en effet sous trois formes ou saveurs : les neutrinos électrons, muons et tau.

Le principe de l’expérience T2K, qui signifie « de Tokai à Kamiokande », est d’étudier les oscillations des neutrinos sur une distance de 295 km, entre les sites de Tokai et le détecteur Super-Kamiokande. A Tokaï, les neutrinos muons sont produits grâce à l’accélérateur de protons de JPARC situé sur la côte est du Japon. A Kamiokande, le détecteur Super-Kamiokande, constituée d'une cuve d’eau cylindrique de 40 mètres de diamètre et 40 mètres de hauteur située à 1000 mètres sous terre, detecte le neutrino parti une milliseconde avant de Tokaï et regarde s'il a changé de nature.

Après 1 an et demi de fonctionnement

Les analyses des données collectées entre la mise en service de l’expérience en janvier 2010 et les événements du 11 mars 2011 montrent que le détecteur lointain a enregistré durant cette période un total de 88 neutrinos, dont 6 neutrinos électrons, le reste étant essentiellement des neutrinos muons n’ayant subi aucune transformation entre leur point de production et leur détection. Sur la base d’une analyse approfondie des données, les physiciens estiment que les résultats obtenus correspondent à une probabilité de 99.3% de découverte de l’apparition des neutrinos électrons.

Vue du détecteur Super-Kamiokande, qui avait déjà été utilisé pour étudier les neutrinos "naturels" provenant du soleil et ceux produits par les rayons cosmiques dans la haute atmosphère. En bas de l’image, une équipe inspecte le détecteur pendant qu’il est encore vide. Crédit : Kamioka Observatory, ICRR, Université de Tokyo.

L'expérience continue

L’expérience T2K va redémarrer dès la fin de cette année. Bien que situés dans une zone sismique proche de l’épicentre du tremblement de terre du 11 mars, les dégâts pour le laboratoire JPARC et les détecteurs proches de T2K ont été heureusement minimes. Le prochain objectif de T2K est de confirmer avec davantage de données l’apparition des neutrinos électrons et, mieux encore, de mesurer le dernier « angle de mélange », un paramètre du modèle standard qui ouvrirait la voie aux études de l’asymétrie entre la matière et l’antimatière dans notre Univers.

La contribution française à T2K

La collaboration T2K regroupe plus de 500 physiciens de 62 institutions réparties dans 12 pays tels que le Japon, des pays européens ou les États-Unis. Les équipes françaises du CNRS/IN2P3 et du CEA/Irfu ont conçu et réalisé plusieurs éléments du détecteur proche. Des équipes du SEDI et du SPP ont réalisé la première chambre à projection temporelle (TPC) équipée avec des détecteurs de type MicroMegas. Ils travaillent également sur l'analyse de ces données permettant de mesurer l'intensité du faisceau de neutrinos avant les oscillations, une donnée d’entrée fondamentale pour ce résultat.

Sur l'accélérateur, une equipe du SIS a conçu et réalisé un système permettant de protéger les 28 aimants supraconducteurs (dipôles et quadripôles) des transitions brutales et accidentelles de l'état supraconducteur à l'état normal.

Faits marquants de septembre 2009 sur le système de Protection d'aimant supraconducteurs de JPARC

et sur les premières traces dans les chambres