COHERENT

COHERENT est la collaboration qui a soldé en 2017 un retard de prédiction vieux de 43 ans : elle a mis en évidence pour la première fois la diffusion élastique cohérente neutrino-noyau. Le travail a paru le 15 septembre 2017 dans Science et compte parmi les résultats les plus cités de la physique des neutrinos.

Le dispositif expérimental

La détection a réussi à la source de neutrons par spallation du Oak Ridge National Laboratory, dans le Tennessee. Là, un faisceau de protons pulsé frappe une cible de mercure ; à côté des neutrons naissent des pions, qui se désintègrent en muons et en neutrinos. Le résultat est l'une des sources les plus intenses de neutrinos dans le domaine de quelques dizaines de MeV — précisément la fenêtre d'énergie dans laquelle a lieu la diffusion cohérente.

Le détecteur était remarquablement petit : un cristal scintillant d'iodure de césium dopé au sodium, pesant 14,6 kilogrammes. À titre de comparaison, d'autres expériences sur les neutrinos ont besoin de milliers de tonnes. C'est exactement là la pointe de la diffusion cohérente — sa section efficace est tellement plus grande qu'un détecteur de la taille d'une pastèque suffit.

Le faisceau pulsé était la deuxième astuce. Comme les neutrinos arrivent dans des fenêtres temporelles nettement définies, le signal se laissait séparer du bruit de fond en ne regardant tout simplement qu'à la bonne nanoseconde.

Le résultat

Après quinze mois de mesure, la mise en évidence atteignait 6,7 σ — nettement au-dessus des 5 σ qui font office de seuil de découverte en physique des particules. Le nombre d'événements observés concordait avec la prédiction du modèle standard.

S'est trouvée confirmée du même coup la signature caractéristique du processus : la section efficace croît comme le carré du nombre de neutrons du noyau cible. Ce n'est pas un détail, mais l'empreinte digitale de la cohérence — le noyau réagit comme un tout, non comme un assemblage de nucléons isolés.

En 2020, la collaboration a récidivé avec de l'argon et mis en évidence le processus sur un deuxième matériau de noyau. En 2022 ont suivi les mesures sur l'iodure de césium avec une statistique nettement améliorée.

Pourquoi cela a duré si longtemps

Daniel Z. Freedman a prédit le processus en 1974 et écrivait déjà à l'époque que sa mise en évidence serait difficile — non parce que l'interaction serait rare, mais parce qu'elle laisse si peu de traces. Le noyau atomique heurté ne se déplace que de quelques kiloélectronvolts, un recul de l'ordre de quelques nanomètres. Mesurer de tels signaux a demandé quatre décennies de progrès dans la technique des détecteurs, la réfrigération et la suppression du bruit de fond.

Qu'à la fin ce soit un détecteur de 14,6 kilogrammes qui ait tranché l'affaire fait partie des beaux retournements de cette histoire.

Portée

Pour la physique fondamentale, COHERENT a ouvert une nouvelle fenêtre : la diffusion cohérente est sensible à une physique au-delà du modèle standard et sert désormais d'outil pour mesurer la charge faible nucléaire et d'éventuelles interactions nouvelles. Elle est en outre le bruit de fond inévitable des détecteurs qui cherchent la matière noire — ce qu'on appelle le brouillard de neutrinos.

Pour la neutrinovoltaïque, COHERENT est le deuxième des trois ancrages. Le prix Nobel 2015 a montré que les neutrinos ont une masse et portent donc une impulsion ; COHERENT a montré en 2017 que cette impulsion se transmet effectivement à un noyau atomique — et ce par le plus grand canal qui existe à basse énergie.

Termes associés

• Diffusion élastique cohérente neutrino-noyau — le processus mis en évidence
• Section efficace — pourquoi la dépendance en N² compte
• Prix Nobel de physique 2015 — le premier ancrage
• Oscillation des neutrinos — la découverte qui est derrière
• L'équation maîtresse — là où entre cette section efficace

Sources

• D. Akimov et al. (collaboration COHERENT) : Observation of coherent elastic neutrino-nucleus scattering. Science 357, 1123–1126 (2017).
• D. Akimov et al. : First measurement of coherent elastic neutrino-nucleus scattering on argon. Physical Review Letters 126, 012002 (2021).
• D. Akimov et al. : Measurement of the coherent elastic neutrino-nucleus scattering cross section on CsI. Physical Review Letters 129, 081801 (2022).
• D. Z. Freedman : Physical Review D 9, 1389 (1974).