Il y a une limite à la taille des collisionneurs de particules sur Terre, que ce soit en raison d'un espace limité ou d'une économie limitée. Puisque la taille équivaut à la production d’énergie pour les collisionneurs de particules, cela signifie également qu’il y a une limite à l’énergie que nous pouvons produire. Et encore une fois, puisque de hautes énergies sont nécessaires pour tester des théories qui vont au-delà du modèle standard (BSM) de la physique des particules, cela signifie que nous serons limités dans notre capacité à valider ces théories jusqu'à ce que nous construisions un collisionneur suffisamment grand.
Mais une équipe de scientifiques dirigée par Yang Bai de l’Université du Wisconsin pense avoir une meilleure idée : utiliser les détecteurs de neutrinos déjà existants comme collisionneur de particules à grande échelle capable d’atteindre des énergies bien supérieures à celles dont le LHC est capable. Les résultats sont publiés sur le arXiv serveur de préimpression.
Les neutrinos sont connus pour interagir très faiblement avec les choses : il y en a des milliards qui vous traversent lorsque vous lisez cette phrase. Cependant, mettez suffisamment de matière sur leur chemin et éventuellement quelques-unes d'entre elles se heurteront directement à un proton ou à un électron. Le jet de particules qui en résulte, qui va généralement plus vite que la lumière, quel que soit le milieu touché par le neutrino, crée une lumière connue sous le nom de rayonnement Tchérenkov. Mais en réalité, ce qui cause le rayonnement Tchérenkov, ce sont les particules créées par ce qui est essentiellement un collisionneur de particules géant.
Nous construisons déjà intentionnellement des détecteurs de neutrinos à partir de blocs géants de glace ou de cuves d’eau. Dans les détecteurs traditionnels, ces zones massives de matériau clair sont entourées de photodétecteurs, qui captent tout rayonnement Cherenkov parasite simplement comme une source de photons. Les projets IceCube en Antarctique, KM3NeT en Méditerranée et Baikal-GV dans le lac Baïkal, sans oublier l'un des plus puissants à ce jour, JUNO, à Jiangmen, en Chine, qui vient tout juste d'être mis en ligne, ont été conçus en pensant à cette détection de lumière. Mais le Dr Bai et ses collègues pensent pouvoir faire davantage.
Ils suggèrent d’utiliser ces laboratoires massifs comme grand collisionneur de neutrinos (LvC-v est le symbole en physique des particules d’un neutrino). Dans ces détecteurs, il existe deux types d'événements d'interaction de neutrinos : les « traces » et les « douches ». L'article se concentre sur les événements de « piste », qui se produisent lorsqu'un neutrino interagit avec un muon, et créent des « pistes » de lumière claires qui peuvent facilement être analysées. Les « averses », en revanche, sont provoquées par d’autres types de réactions et se présentent sous la forme d’éclats de lumière sphériques beaucoup plus difficiles à analyser.
Il est important de noter que de nombreux événements de piste sont provoqués par des neutrinos à ultra haute énergie, qui peuvent libérer des énergies allant jusqu'à 220 pétaélectrons volts, comme celui qui a été récemment détecté à KM3NeT. Cela représente près de 16 000 fois plus d’énergie que ce que le LHC peut actuellement produire grâce à ses collisions.
Opérer dans ce champ de haute énergie permettrait aux physiciens d’apercevoir de nouvelles particules allant au-delà du modèle standard. En particulier, il existe un type de particule appelée leptogluon, qui sont à la fois « colorées » comme les gluons, mais qui interagissent également avec des leptons et font partie de modèles « composites » qui théorisent que les leptons et les gluons sont constitués du même matériau. Il s'agit d'une cible idéale, car ils sont théoriquement très lourds, mais pourraient être détectés très efficacement en utilisant le LvC, en particulier les versions plus grandes qui pourraient bientôt être mises en ligne.
Malheureusement, les auteurs ont également calculé que, pour de nombreux autres types d’interactions, le LvC est soit à égalité, soit même en retard par rapport à ce dont le LHC est capable. Pour la recherche des leptoquarks, l'une des particules suggérées par certaines grandes théories unifiées, le LvC serait « comparable » au LHC, mais pour la recherche de nouveaux bosons vecteurs lourds, il ne serait même pas en mesure de rivaliser avec le LHC tel quel.
Cela étant dit, la réutilisation d’une infrastructure physique déjà existante pour effectuer de nouveaux travaux de détection intéressants semble prometteuse. Il existe plusieurs nouvelles générations de détecteurs de neutrinos qui élargissent la zone de détection et amélioreraient ainsi les capacités du LvC. Mais ils sont encore sur la planche à dessin pour l’instant.
Peut-être que cet article incitera leurs concepteurs à envisager d’inclure des équipements de détection de particules aux côtés des photodétecteurs pour vraiment tirer le meilleur parti de ces expériences fascinantes.
