Département de Physique des Particules

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).

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 : ν_μ + 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.