Les neutrinos font partie des particules les plus insaisissables bien connues de la science. Ces minuscules particules subatomiques n’ont aucune charge électrique et une masse extrêmement petite, ce qui les rend incroyablement difficiles à détecter. Ils sont produits en abondance par le Soleil, ainsi que par des réactions nucléaires sur Terre et dans les supernovae. Malgré leur nature insaisissable, les scientifiques souhaitent détecter les neutrinos car ils peuvent fournir des informations précieuses sur les processus qui les produisent.

Les neutrinos interagissent si rarement avec la matière qu'il faut un type de détecteur très spécial pour les détecter en flagrant délit. Ces détecteurs se déclinent en plusieurs versions différentes, chacune employant sa méthode unique pour repérer ces particules insaisissables. Dans cet article, nous examinerons de plus près le fonctionnement de ces détecteurs et certains des exemples les plus remarquables de détecteurs de neutrinos dans le monde aujourd'hui.

Patience et échelle

La physique moderne nous dit qu'environ 100 XNUMX milliards de neutrinos traversent votre corps chaque seconde. On pourrait penser qu’être si communes rendrait ces particules faciles à trouver, mais c’est tout sauf le cas. Ces particules ultralégères non chargées interagissent si rarement avec la matière que leur détection nécessite une configuration expérimentale plutôt spécialisée.

La première détection réussie de neutrinos a été réalisée en 1956 par Frederick Reines et Clyde Cowan. Deux cibles ont été créées à l'aide d'une solution de chlorure de cadmium dans l'eau, avec des détecteurs à scintillation placés à côté des cibles. Les antineutrinos d'un réacteur nucléaire ont subi une « désintégration bêta inverse » avec des protons dans l'eau. Cette réaction a vu le proton se transformer en neutron et l’antineutrino former un positron. Le positon s'annihile rapidement avec un électron, libérant un rayon gamma, tandis que le neutron est capturé par un noyau de cadmium, libérant lui-même un rayon gamma quelques microsecondes plus tard. En capturant la signature des rayons gamma de ces événements, le duo a réussi à détecter un antineutrino, ce qui leur a valu plus tard le prix Nobel en 1995.

Cette méthode était utile pour détecter les neutrinos, mais guère plus. Pour en savoir plus sur l'univers, les physiciens devaient étudier les neutrinos plus en détail, déterminer leurs sources naturelles, leurs interactions et leur comportement. Ainsi, une variété de détecteurs plus avancés ont été construits au fil des années. Beaucoup d’entre eux sont à grande échelle, impliquant des centaines de tonnes de ceci, ou des milliers de tonnes de cela. L'échelle est souvent nécessaire pour capturer une interaction rare avec un neutrino, étant donné leur propension à traverser de grandes étendues de matière sans aucune interaction.

Rayonnement Tchérenkov

Une méthode plus moderne et plus populaire de détection des neutrinos consiste à utiliser le rayonnement Tchérenkov, qui a permis aux scientifiques d'obtenir des informations plus riches sur les neutrinos et leurs origines. Lorsqu'un neutrino se déplace plus vite que la vitesse de la lumière dans un matériau donné, comme l'eau, le rayonnement Tchérenkov est produit sous la forme d'une sorte d'onde de choc optique, analogue à un avion brisant la vitesse du son dans l'air. L'anneau de lumière libéré peut être détecté avec de simples tubes photomultiplicateurs. Avec un réseau approprié de photodétecteurs, il peut être possible de déterminer la direction et les niveaux d’énergie des neutrinos incidents.

Ces détecteurs utilisent de grands réservoirs remplis d'eau, d'eau lourde ou de pétrole et sont équipés de capteurs capables de détecter les faibles éclairs de rayonnement Tchérenkov produits lorsqu'un neutrino interagit avec la matière. Un excellent exemple de détecteur Cherenkov à eau est le Super-Kamiokande au Japon, un immense réservoir souterrain contenant 50,000 11,000 tonnes d'eau ultra pure, bordé de 1,000 XNUMX tubes photomultiplicateurs. L’ensemble de l’expérience est enfoui à un kilomètre sous terre, ce qui contribue à le protéger d’autres phénomènes naturels comme les rayons cosmiques. Il devrait être remplacé par l'Hyper-Kamiokande dans les années à venir. Un autre exemple est l'Observatoire de neutrinos de Sudbury, avec XNUMX XNUMX tonnes d'eau lourde entourées d'un cylindre d'eau pure ordinaire. L'expérience est capable de capter les rayons gamma libérés lorsqu'un neutrino brise un atome de deutérium dans l'eau lourde.

Le détecteur MiniBooNE fonctionne sur le même principe de scintillation, mais utilise de l'huile comme support au lieu de l'eau. Il a été conçu pour étudier le concept de oscillation des neutrinos, où les neutrinos changent entre plusieurs « saveurs » au fil du temps. L'expérience recherchait la signature d'un neutrino électronique frappant un neutron, ce qui générerait un électron plus un proton lent, ce qui se produit rarement. Cela contrasterait avec la signature d'événements plus courants où des neutrinos muoniques heurtaient des protons, créant un muon et un proton. Ces différents événements peuvent être déterminés par les modèles de lumière détectés par les photomultiplicateurs de l'expérience, car différentes particules à différentes vitesses créent leurs propres modèles révélateurs de rayonnement Tchérenkov.

D’autres détecteurs Cherenkov évitent l’utilisation d’un conteneur géant spécialement conçu, choisissant plutôt de tirer parti des plans d’eau ou de glace naturellement existants. L'expérience Antares se situe au fond de la mer Méditerranée, à 2.5 km sous la surface. En conséquence, il doit filtrer la lumière causée par des éléments tels que les désintégrations radioactives du potassium 40 présent dans le sel marin et les organismes bioluminescents. Pendant ce temps, au pôle Sud, les expériences AMANDA et IceCUBE utilisent des photodétecteurs dans des trous forés profondément dans la glace.

Chambres de projection temporelle

Les chambres à projection temporelle représentent une autre méthode de détection des neutrinos, dans laquelle une interaction neutrino ionise les atomes dans un gaz ou un liquide, et la traînée résultante de particules chargées est ensuite détectée. L'expérience DUNE dans le Dakota du Sud, aux États-Unis, actuellement en construction, est un exemple de projet utilisant cette méthode. Avec ses quatre détecteurs massifs, contenant chacun des milliers de tonnes d'argon liquide, DUNE vise à étudier les neutrinos avec une précision sans précédent. La densité de l'argon liquide contribue à augmenter les chances d'interaction avec un neutrino.

Les chambres à projection temporelle utilisent la détection de la lumière tout comme les expériences avec des scintillateurs, mais vont aussi plus loin. Les chambres utilisent un plan cathodique pour créer un champ électrique à travers la chambre. Sur le côté opposé de la chambre se trouvent plusieurs plans de fils d’anode parallèles. Les plans intérieurs sont généralement appelés grilles d’induction, qui laissent passer les électrons dits de dérive issus des interactions neutrino-particules. Si un électron dérivé passe par un fil dans le plan d'induction, il produit une bosse dans le courant dans le fil qui peut être captée. Au-delà de la ou des grilles d'induction, une grille de collecte capte alors directement les électrons, délivrant un signal de collecte. L’avantage d’avoir plusieurs plans de grilles d’anodes est que cela permet de réaliser une reconstruction bidimensionnelle d’un événement d’ionisation lorsqu’un électron est capté en se déplaçant par les multiples grilles.

Gallium

Si vous êtes moins intéressé par la directionnalité et plus par les quantités d'interactions des neutrinos, le métal liquide peut être un outil utile. Dans un détecteur de gallium, les neutrinos traversent un réservoir rempli, attendez-le, de gallium. Grâce à la réaction de désintégration bêta inverse induite par les neutrinos, le neutrino impactant l'atome de gallium voit l'un des neutrons de l'atome se transformer en proton, transformant le gallium en germanium et libérant un électron. Le germanium produit peut être extrait chimiquement et en raison de son instabilité, sa décomposition peut être détectée avec compteurs proportionnels.

L'expérience GALLEX en Italie est l'un des exemples notables de détecteurs de neutrinos à base de gallium. Situé en profondeur pour le protéger des rayons cosmiques, le détecteur GALLEX était constitué d'un réservoir contenant 30 tonnes de gallium liquide et a fonctionné de 1991 à 1997. Cette expérience a joué un rôle crucial dans l'étude des neutrinos solaires et ses résultats ont contribué de manière significative à notre compréhension du Soleil et de ses processus. Son successeur fut l'Observatoire des neutrinos au gallium, qui a fonctionné de 1998 à 2003. L'expérience soviéto-américaine sur le gallium, ou SAGE, était un autre détecteur de neutrinos à base de gallium de longue date. Ces expériences étaient appréciées pour leur capacité à détecter des neutrinos de faible énergie, même si elles étaient coûteuses en raison de la nécessité de plusieurs tonnes de gallium, soit sous forme de métal liquide, soit sous forme de solution de trichlorure de gallium et d'acide chlorhydrique.

Conclusion

La nature de la physique des particules aujourd’hui fait qu’une grande variété d’expériences à grande échelle sont nécessaires pour étudier toutes sortes de phénomènes. Il ne s’agit en aucun cas d’une liste exhaustive des méthodes de détection des neutrinos, mais plutôt d’un guide des nombreuses méthodes pouvant être utilisées pour traquer ces particules insaisissables. De nouveaux détecteurs plus passionnants seront construits et, espérons-le, nous révéleront plus de secrets sur les particules subatomiques au-delà de ceux de base que nous apprenons en physique au lycée. Si vous étudiez actuellement la physique des particules au niveau universitaire, vous pourriez vous retrouver à travailler sur l'un de ces projets avancés sur les neutrinos !

• Contenu propulsé par le référencement et distribution de relations publiques. Soyez amplifié aujourd'hui.
• PlatoData.Network Ai générative verticale. Autonomisez-vous. Accéder ici.
• PlatoAiStream. Intelligence Web3. Connaissance Amplifiée. Accéder ici.
• PlatonESG. Carbone, Technologie propre, Énergie, Environnement, Solaire, La gestion des déchets. Accéder ici.
• PlatoHealth. Veille biotechnologique et essais cliniques. Accéder ici.
• La source: https://hackaday.com/2023/11/14/detecting-neutrinos-the-slippery-ghost-particles-that-dont-want-to-interact/