DONUT

DONUT — Direct Observation of the Nu Tau — était une expérience menée au Fermilab qui, en l'an 2000, a mis en évidence le neutrino tau. C'était la dernière des douze particules de matière du modèle standard qui manquait encore.

Un quart de siècle d'attente

Martin Perl avait découvert le lepton tau en 1975 et ouvert ainsi une troisième famille de leptons. Comme à chaque lepton chargé correspond un neutrino propre, il fallait s'attendre à un troisième.

Il n'y avait guère de doute. En 1989, la mesure de la largeur de désintégration du boson Z au CERN a montré qu'il existe exactement trois sortes légères de neutrinos — ni deux, ni quatre. Mais on n'avait jamais vu le troisième.

La raison tient à la détection elle-même. Un neutrino tau ne se trahit qu'en produisant un lepton tau. Celui-ci vit environ 0,3 billionième de seconde et parcourt ce faisant à peu près un tiers de millimètre avant de se désintégrer. Il faut donc voir une trace de moins d'un millimètre de longueur — et, à l'intérieur, une brisure.

Aucun détecteur électronique ne résout cela. Les chambres à fils les plus fines atteignent quelques dixièmes de millimètre.

La production du faisceau

DONUT devait d'abord fabriquer ses neutrinos tau. Un faisceau de protons de 800 gigaélectronvolts frappait un bloc de tungstène. Il s'y forme entre autres des mésons D_s — des particules lourdes dotées d'un quark charmé, qui se désintègrent pour une petite part en un lepton tau et un neutrino tau.

Tout le reste était tenu à l'écart : le bloc de tungstène arrêtait les hadrons, des champs magnétiques déviaient les particules chargées, un blindage absorbait le reste. Restait un faisceau de neutrinos dans lequel, à côté des neutrinos électroniques et muoniques, se trouvait une proportion d'environ cinq pour cent de neutrinos tau.

Le retour à la plaque photographique

Pour la détection, DONUT est revenu à une technique issue des débuts de la physique des particules : l'émulsion photographique.

Le détecteur se composait de couches d'acier et de film à émulsion. L'acier fournit la masse, pour qu'une interaction ait seulement lieu. L'émulsion enregistre les traces des particules chargées avec une résolution inférieure au micromètre — mille fois plus fine que tout détecteur électronique.

Le prix à payer, c'est la charge de travail. Un film garde tout ce qui l'a jamais traversé et ne se lit pas comme une puce. Des détecteurs électroniques indiquaient donc grossièrement où quelque chose s'était produit ; les plaques d'émulsion concernées étaient ensuite développées et examinées automatiquement au microscope.

Quatre événements

Sur environ six millions d'interactions enregistrées, il restait après sélection quelque mille candidats. À la fin, quatre portaient la brisure caractéristique.

Quatre événements comme fondement d'une découverte — cela paraît maigre. Ce qui est décisif, c'est la comparaison avec le bruit de fond attendu, et celui-ci était d'environ 0,3 événement. La probabilité d'obtenir par hasard quatre traces de ce genre est infime.

La collaboration a annoncé la découverte en juillet 2000. Une analyse ultérieure et affinée de l'ensemble complet des données a porté le nombre à neuf événements.

Ce qui était ainsi acquis

Avec DONUT, les douze particules de matière du modèle standard étaient toutes mises en évidence : six quarks et six leptons, dont trois neutrinos. Abstraction faite du boson de Higgs, qui a suivi en 2012, l'édifice était complet.

Pour la physique des neutrinos, cela a eu des conséquences immédiates. L'oscillation des neutrinos est décrite comme une transition entre exactement ces trois sortes, et la matrice PMNS a trois lignes et trois colonnes. Tant que la troisième sorte n'était que déduite, il subsistait une lacune dans cette chaîne de preuves.

DONUT l'a comblée. Quinze ans plus tard, OPERA a montré, avec la même technique d'émulsion, que les neutrinos muoniques se transforment effectivement en neutrinos tau en chemin — ce qui bouclait la boucle.

Termes associés

• OPERA — la mise en évidence de la transformation
• Martin Perl — le découvreur du lepton tau
• Lepton — les trois familles
• Bosons W et Z — la mesure du nombre de familles

Sources

• Collaboration DONUT (K. Kodama et al.) : Observation of tau neutrino interactions, Physics Letters B 504, 218 (2001).
• Collaboration DONUT : Final tau-neutrino results from the DONuT experiment, Physical Review D 78, 052002 (2008).