À la recherche de l’antimatière primordiale : la piste des neutrinos

Cette vue d’artiste illustre la disparition de l’antimatière qui demeure l’un des plus profonds mystères de la physique. L’antimatière, possède des propriétés inverses à celle de la matière. Ainsi un antiélectron, e+, porte une charge inverse à celle d’un électron, e-. Les lois connues de la physique sont telles, qu’observée dans un miroir qui inverserait ses propriétés, une particule de matière serait indiscernable de son antiparticule. Ainsi, depuis le Big Bang, matière et antimatière…

Ce dispositif expérimental peut être utilisé pour étudier les neutrinos. Les propriétés de ces particules élémentaires sont encore très mystérieuses et pourraient être à l’origine de la disparition de l’antimatière primordiale. Ces particules sont parmi les plus abondantes de l’Univers. Chaque seconde, cent mille milliards de neutrinos, émis par le soleil, traversent chacun d’entre nous. La probabilité que ces particules interagissent est si faible, qu’au cours de notre vie, moins d’une poignée…

Équations décrivant, le mécanisme de production (à gauche) et d’interaction d’un neutrino (à droite). Les neutrinos ne peuvent être détectés qu’indirectement à partir des produits issus de leur interaction avec la matière. Une fois détectée, l’énergie du neutrino est estimée à partir de celle des particules produites lors de l’interaction. Certaines particules n’étant pas détectables, l'énergie du neutrino est obtenue avec une précision limitée. Pour améliorer cette précision, une autre méthode…

Ce détecteur à pixels, le GigaTracKer, permet de reconstruire individuellement les trajectoires de plus d’un milliard de particules par seconde. Développée par l’expérience NA62 au CERN, cette technologie a permis de montrer la faisabilité d’une nouvelle méthode de caractérisation des neutrinos. Celle-ci consiste à mesurer les propriétés d’un neutrino à partir de la désintégration qui la produit. Les précisions atteignables par cette technique sont inégalables. Le concept de cette méthode fut…

Vue détaillée du détecteur à pixels, le GigaTracKer, permet de reconstruire individuellement les trajectoires de plus d’un milliard de particules par seconde. Développée par l’expérience NA62 au CERN, cette technologie a permis de montrer la faisabilité d’une nouvelle méthode de caractérisation des neutrinos. Celle-ci consiste à mesurer les propriétés d’un neutrino partir de la désintégration qui la produit. Les précisions atteignables par cette technique sont inégalables. Le concept de cette…

Le calorimètre de l’expérience NA62 au CERN, formé par 20 tonnes de Krypton liquide, permet de détecter des neutrinos produits par les désintégrations de kaons en muons et neutrinos. Les autres instruments de l’expérience NA62 permettent de reconstruire ces désintégrations et de les associer aux neutrinos détectés dans le calorimètre au krypton liquide. Grâce à cette association, les propriétés des neutrinos peuvent être estimées avec une précision inégalée ouvrant de nouvelles perspectives…

À l’intérieur de cette enceinte de vide se trouve le GigaTracker de l’expérience NA62. Ce détecteur est capable de reconstruire individuellement les trajectoires de plus d’un milliard de particules par seconde. Il permet ainsi de reconstruire précisément les désintégrations d’un faisceau de kaon en muons et neutrinos. Les autres instruments de l’expérience NA62 permettent de détecter ces neutrinos et de les associer individuellement à la désintégration les ayant produits. Grâce à cette…

Un faisceau de kaons traverse toute l’expérience NA62 (de droite à gauche) dans un tube à vide, visible au centre de la photo. Lorsqu’un kaon se désintègre il produit un neutrino et un muon qui s’échappent du tube à vide et traversent les détecteurs qui l’entourent. La cuve grise, contient 9 000 litres de krypton liquide qui forment le calorimètre de l’expérience dans lequel les neutrinos peuvent interagir et être détectés. Ces détections sont rarissimes : sur un milliard de neutrinos…

La première observation d’un candidat neutrino "taggué" auprès de l’expérience NA62 au CERN a permis de démontrer la faisabilité d’une nouvelle méthode pour la physique des neutrinos. Celle-ci propose de suivre les neutrinos depuis leur production, par les désintégrations de kaons, jusqu’à leur interaction dans un détecteur à neutrino. L’analyse des signaux déposés dans les détecteurs par plus d’une centaine de milliards de désintégrations de kaons vers un neutrino et un muon a permis de mettre…

Les lignes de détection de l’expérience KM3NeT, ici en cours de calibration, permettent de créer de gigantesques détecteurs à neutrino en instrumentant de grands volumes d’eau, plusieurs millions de mètres cubes, au fond des mers ou des lacs profonds. Lorsqu’un neutrino interagit dans l’eau, il produit des particules chargées dans le sillage desquelles un cône de lumière – le rayonnement Tcherenkov – apparait et peut être détecté par les capteurs des lignes de mouillages KM3NeT. Les détecteurs…

Les lignes de détection de l’expérience KM3NeT, ici en cours de montage, permettent de créer de gigantesques détecteurs à neutrino en instrumentant de grands volumes d’eau, plusieurs millions de mètres cubes, au fond des mers ou des lacs profonds. Ces lignes sont enroulées sur une structure sphérique qui est déposée sur le fond marin. Un robot vient alors libérer la sphère de son ancre (en jaune) qui en remontant par flottaison déroule la ligne de détection. Lorsqu’un neutrino interagit dans l…

Les lignes de détection de l’expérience KM3NeT, ici pendant une opération de déploiement, permettent de créer de gigantesques détecteurs à neutrino en instrumentant de grands volumes d’eau, plusieurs millions de mètres cubes, au fond des mers ou des lacs profonds. Ces lignes sont enroulées sur une structure sphérique qui est déposée sur le fond marin. Un robot vient alors libérer la sphère de son ancre qui en remontant par flottaison déroule la ligne de détection. Ici, la structure remontée en…