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De la Chine au pôle Sud: unir nos forces pour résoudre le puzzle de la masse des neutrinos

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L'un des problèmes les plus intéressants de la physique moderne est la détermination de l'ordre de masse des neutrinos. Les physiciens du pôle d'excellence PRISMA + de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) jouent un rôle de premier plan dans une nouvelle étude qui indique que le mystère de la commande de la masse de neutrinos peut enfin être résolu dans les prochaines années.Cela se fera grâce à la mise en œuvre conjointe de deux nouvelles expériences sur les neutrinos, qui sont en cours de développement-modernisation de l'expérience IceCube au pôle Sud et de l'observatoire des neutrinos souterrains de Jiangmen (JUNO) en Chine. Bientôt, ils donneront aux physiciens accès à des données beaucoup plus sensibles et complémentaires sur l'ordre de masse des neutrinos.

Les neutrinos sont des caméléons parmi les particules élémentaires.


Les neutrinos sont produits par des sources naturelles - par exemple, dans les entrailles du Soleil ou d'autres objets astronomiques - ainsi qu'en grandes quantités par les centrales nucléaires. Cependant, ils peuvent traverser la matière ordinaire - comme le corps humain - presque sans entrave, sans laisser de trace de leur présence. Cela signifie que des méthodes extrêmement complexes sont nécessaires qui nécessitent l'utilisation de détecteurs massifs pour observer des réactions rares aléatoires dans lesquelles ces "particules fantômes" sont impliquées.

Il existe trois types différents de neutrinos: les neutrinos électroniques, muoniques et tau. Ils peuvent varier d'un type à l'autre, et les scientifiques appellent ce phénomène «oscillations de neutrinos». La masse des particules peut être déterminée en observant les modèles de vibration. Depuis de nombreuses années, les physiciens tentent de déterminer lequel des trois types de neutrinos est le plus léger et le plus lourd. Le professeur Michael Wurm, physicien du pôle d'excellence PRISMA +, qui joue un rôle important dans la conduite de l'expérience JUNO en Chine, explique: «Nous pensons que la réponse à cette question apportera une contribution significative et nous permettra de collecter des données à long terme sur la violation de la symétrie de la matière et de l'antimatière dans secteur des neutrinos. Ensuite, en utilisant ces données, nous espérons découvrir une fois pour toutes pourquoi la matière et l'antimatière ne se sont pas complètement détruites après le Big Bang. »

La collaboration mondiale est rentable


Les deux expériences à grande échelle utilisent des méthodes très différentes et complémentaires afin de résoudre le casse-tête de la commande de la masse de neutrinos. «L'approche évidente consiste à combiner les résultats attendus des deux expériences», explique le professeur Sebastian Bezer du cluster PRISMA +, également chercheur en neutrinos et l'un des principaux participants à l'expérience IceCube.

À peine dit que c'était fait. Dans la revue Physical Review D, des chercheurs d'IceCube et de la collaboration JUNO ont publié une analyse conjointe de leurs expériences. Pour cela, les auteurs ont modélisé les données expérimentales prédites en fonction du temps de mesure pour chaque expérience. Les résultats varient selon que les masses de neutrinos sont dans l'ordre normal ou inverse (inversé). Les physiciens ont ensuite effectué un test statistique dans lequel ils ont appliqué une analyse combinée aux résultats simulés des deux expériences. Cela a révélé le degré de sensibilité avec lequel les deux expériences en combinaison pouvaient prédire le bon ordre ou, plutôt, éliminer le mauvais ordre. Étant donné que les modèles d'oscillation observés dans JUNO et IceCube dépendent de l'ordre réel de la masse de neutrinos d'une manière spécifique à chaque expérience,le test combiné a une capacité distinctive nettement supérieure aux résultats expérimentaux individuels. Ainsi, cette combinaison éliminera enfin le mauvais ordre de la masse de neutrinos pendant la période de mesure de trois à sept ans.

"Dans ce cas, l'ensemble est vraiment plus grand que la somme de ses parties", conclut Sebastian Bezer. "Ici, nous avons des preuves claires de l'efficacité de l'approche expérimentale complémentaire lorsqu'il s'agit de résoudre les énigmes neutrinos restantes." «Aucune expérience ne peut y parvenir seule, que ce soit une mise à jour d'IceCube, de JUNO ou de toute autre version actuellement lancée», ajoute Michael Wurm. «De plus, cela montre simplement ce que les physiciens peuvent réaliser en travaillant ensemble.»

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