Les scientifiques appellent souvent le neutrino la « particule fantôme ». » Les neutrinos étaient l’une des particules les plus abondantes à l’origine de l’univers et le sont toujours aujourd’hui. Les réactions de fusion au soleil en produisent de vastes armées, qui se déversent sur la Terre tous les jours. Des milliards traversent notre corps chaque seconde, puis volent à travers la Terre comme si elle n’était pas là.

« Bien que postulés pour la première fois il y a près d’un siècle et détectés pour la première fois il y a 65 ans, les neutrinos restent enveloppés de mystère en raison de leur réticence à interagir avec la matière », a déclaré Alessandro Lovato, physicien nucléaire au Laboratoire national Argonne du Département de l’Énergie des États-Unis (DOE).

Lovato est membre d’une équipe de recherche de quatre laboratoires nationaux qui a construit un modèle pour répondre à l’un des nombreux mystères sur les neutrinos — comment ils interagissent avec les noyaux atomiques, des systèmes complexes faits de protons et de neutrons (« nucléons ») liés entre eux par la force forte. Cette connaissance est essentielle pour percer un mystère encore plus grand — pourquoi, au cours de leur voyage dans l’espace ou la matière, les neutrinos se transforment comme par magie de l’un en l’autre de trois types ou « saveurs » possibles. »

Pour étudier ces oscillations, deux séries d’expériences ont été entreprises au Fermi National Accelerator Laboratory du DOE (MiniBooNE et NOvA). Dans ces expériences, les scientifiques génèrent un flux intense de neutrinos dans un accélérateur de particules, puis les envoient dans des détecteurs de particules sur une longue période de temps (MiniBooNE) ou à cinq cents miles de la source (NOvA).

Connaissant la distribution originale des arômes de neutrinos, les expérimentateurs recueillent ensuite des données relatives aux interactions des neutrinos avec les noyaux atomiques dans les détecteurs. À partir de ces informations, ils peuvent calculer tout changement des saveurs des neutrinos au fil du temps ou de la distance. Dans le cas des détecteurs MiniBooNE et NOvA, les noyaux proviennent de l’isotope carbone-12, qui contient six protons et six neutrons.

« Notre équipe est entrée dans le vif du sujet car ces expériences nécessitent un modèle très précis des interactions des neutrinos avec les noyaux du détecteur sur une large plage d’énergie « , a déclaré Noemi Rocco, post-doctorante à la division Physique d’Argonne et au Fermilab. Étant donné le caractère insaisissable des neutrinos, obtenir une description complète de ces réactions est un défi formidable.

Le modèle de physique nucléaire de l’équipe des interactions de neutrinos avec un seul nucléon et une paire d’entre eux est le plus précis à ce jour. « Notre approche est la première à modéliser ces interactions à un niveau aussi microscopique », a déclaré Rocco. « Les approches antérieures n’étaient pas si fines. »

L’une des conclusions importantes de l’équipe, basée sur des calculs effectués sur le supercalculateur Mira aujourd’hui à la retraite à l’Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), était que l’interaction des paires de nucléons est cruciale pour modéliser avec précision les interactions des neutrinos avec les noyaux. L’ALCF est une installation d’utilisateurs du Bureau des sciences du DOE.

« Plus les noyaux du détecteur sont grands, plus les neutrinos risquent d’interagir avec eux », a déclaré Lovato. « À l’avenir, nous prévoyons d’étendre notre modèle aux données de noyaux plus gros, à savoir ceux de l’oxygène et de l’argon, à l’appui des expériences prévues au Japon et aux États-Unis. »

Rocco a ajouté que « Pour ces calculs, nous nous appuierons sur des ordinateurs ALCF encore plus puissants, le système Thêta existant et la prochaine machine exascale, Aurora. »

Les scientifiques espèrent qu’à terme, une image complète des oscillations de saveur émergera pour les neutrinos et leurs antiparticules, appelées « antineutrinos. »Cette connaissance peut éclairer la raison pour laquelle l’univers est construit à partir de matière au lieu d’antimatière — l’une des questions fondamentales sur l’univers.

L’article, intitulé « Ab Initio Study of (νℓ,ℓ−) and (νℓ,ℓ+)Inclusive Scattering in C12: Confronting the MiniBooNE and T2K CCQE Data », est publié dans Physical Review X. Outre Rocco et Lovato, les auteurs incluent J. Carlson (Los Alamos National Laboratory), S. Gandolfi (Los Alamos National Laboratory) et R. Schiavilla (Old Dominion University / Jefferson Lab).