MINOS
MINOS — Main Injector Neutrino Oscillation Search — était une expérience sur les neutrinos menée entre le Fermilab, près de Chicago, et une mine de fer désaffectée du Minnesota. Elle a fonctionné de 2005 à 2016 et a fait de l'oscillation des neutrinos une mesure de précision.
De la découverte à la mesure
En 1998, Super-Kamiokande avait montré que les neutrinos oscillent. La source en était les neutrinos atmosphériques — gratuits, mais non contrôlés : on ne connaît particulièrement bien ni leur nombre exact ni leur spectre.
Pour une mesure précise, il faut une source que l'on tient soi-même en main. C'est précisément pour cela que Melvin Schwartz avait inventé le faisceau de neutrinos en 1960. MINOS s'en est servi pour faire d'un constat qualitatif un nombre.
Deux détecteurs, un faisceau
L'idée décisive est la double mesure.
Au Fermilab, le faisceau NuMI produit des neutrinos muoniques : des protons frappent une cible de graphite, les pions qui en naissent sont focalisés par des cornes magnétiques et se désintègrent sur une section de 675 mètres de long. Un premier détecteur de 980 tonnes se tient là dans une caverne, à un kilomètre seulement de l'origine — trop près pour que l'oscillation puisse jouer un rôle. Il mesure donc ce qui a été envoyé.
735 kilomètres plus loin, à 705 mètres de profondeur dans la mine de Soudan, se tient le second détecteur, de 5 400 tonnes, et il mesure ce qui arrive.
La comparaison des deux mesures est le véritable tour de main. L'intensité du faisceau, l'allure de son spectre, la qualité de la réponse des détecteurs — toutes ces incertitudes agissent de la même manière sur les deux mesures et s'éliminent dans le rapport. Reste la différence, et celle-ci est l'oscillation.
Les deux détecteurs étaient en outre de construction identique, faits des mêmes couches alternées d'acier et de scintillateur. Cela aussi sert le but que les erreurs systématiques se compensent mutuellement.
L'acier magnétisé
Une particularité distinguait MINOS de tous les autres détecteurs de neutrinos : l'acier était magnétisé.
Un champ magnétique courbe la trajectoire des particules chargées, et le sens de la courbure permet de lire la charge. MINOS pouvait donc distinguer les muons des antimuons — et par là les neutrinos des antineutrinos.
Cela autorisait un test que personne n'avait pu mener auparavant : les deux oscillent-ils de la même manière ? Une différence aurait été un indice de violation de la symétrie CPT, l'un des principes les plus profonds de la physique. MINOS n'en a trouvé aucune — dans les limites de la précision de mesure, neutrinos et antineutrinos se comportent de la même façon.
Les résultats
MINOS a déterminé la différence des carrés des masses Δm²₃₂ à quelques pour cent près. Ce nombre compte aujourd'hui encore parmi les grandeurs les mieux mesurées de la physique des neutrinos.
Plus important encore que la valeur était le motif. Des neutrinos de certaines énergies manquaient davantage que d'autres, et cela exactement sous la forme que prédit une oscillation : un creux dans le spectre, dont la position dépend de l'énergie et de la distance.
Cela excluait les explications concurrentes. Si les neutrinos s'étaient simplement désintégrés ou s'étaient échappés dans une dimension supplémentaire — les deux avaient été sérieusement envisagés —, le spectre aurait eu une autre allure.
Un résultat secondaire sur la vitesse
MINOS a également mesuré à quelle vitesse ses neutrinos parcouraient les 735 kilomètres, et a trouvé le résultat compatible avec la vitesse de la lumière. La même question a valu en 2011 à l'expérience OPERA des gros titres mondiaux pendant un court moment, jusqu'à ce qu'une erreur soit trouvée là-bas dans la mesure du temps.
Succession
Depuis 2014, NOvA utilise la même ligne de faisceau, mais à 14 milliradians de l'axe et avec un détecteur de 14 000 tonnes à Ash River, dans le Minnesota. La disposition oblique livre un spectre en énergie plus étroit — le même tour de main que celui qu'emploie aussi T2K au Japon.
L'étape suivante sur le même site est DUNE, avec 1 300 kilomètres de parcours au lieu de 735 et de l'argon liquide au lieu d'acier.
Notions liées
- Oscillation des neutrinos — le processus mesuré
- T2K — le pendant japonais
- DUNE — le successeur au même endroit
- Melvin Schwartz — la méthode du faisceau
Sources
- Collaboration MINOS : Measurement of Neutrino and Antineutrino Oscillations Using Beam and Atmospheric Data in MINOS, Physical Review Letters 110, 251801 (2013).
- Collaboration MINOS : Measurement of the neutrino velocity with the MINOS detectors, Physical Review D 92, 052005 (2015).