Ordre de masse des neutrinos : associer les expériences JUNO et KM3NeT permettrait de trancher plus vite

30 mars 2022

Les groupes KM3NeT de l’APC et JUNO de l’IPHC ont évalué le gain en sensibilité qu’apporterait une analyse conjointe des données qui seront générées par leurs expériences respectives. Les résultats montrent que cette combinaison permet de déterminer l’ordre des masses des neutrinos de 1 à 4 années plus tôt que si ces jeux de données étaient traités séparément. Un travail paru dans Journal of high energy physics.

Depuis la découverte expérimentale du phénomène d’oscillation des neutrinos en 1998, nous savons que les neutrinos sont des particules massives, contrairement à ce qui était attendu dans le cadre du Modèle Standard. De nombreuses expériences ont été réalisées pour mesurer les paramètres régissant ces oscillations, qui sont notamment sensibles aux différences des carrés des masses des neutrinos. Si la valeur absolue de ces différences a déjà pu être mesurée, il reste actuellement deux options pour l’ordonnancement des masses des neutrinos: l’ordre normal, dans laquelle la structure de masse des neutrinos ressemble à celle des autres particules, et l’ordre inversé, où cela n’est pas le cas et le neutrino le plus léger ne contient qu’une petite fraction du neutrino associé avec l’électron.

Plusieurs expériences sont actuellement en construction dans le monde pour déterminer l’ordre des masses des neutrinos. Parmi elles, JUNO est une expérience basée en Chine conçue pour observer l’oscillation des antineutrinos issus de deux centrales nucléaires situées à 53 km du détecteur principal ; tandis que KM3NeT/ORCA est un télescope Tcherenkov déployé en mer Méditerranée pour détecter les neutrinos produits par l’interaction des rayons cosmiques dans l’atmosphère et ayant ensuite traversé la Terre. Ces deux projets d’envergure figurent sur la feuille de route nationale du Ministère de la recherche et de l’enseignement supérieur.

Vues d'artistes des expériences KM3NeT et JUNO.
Les expériences d’étude des neutrinos KM3NeT (dispositif sous-marin à gauche) et JUNO (dispositif souterrain à droite), pourront renforcer la précision de leurs résultats en réalisant une analyse jointe de leurs données. Images : Collaborations KM3NeT et JUNO.

Même si ces deux expériences partagent le même objectif – celui de mesurer l’ordre des masses des neutrinos – elles approchent le problème avec des méthodes différentes… et très complémentaires. JUNO va étudier le lien entre les fréquences d’oscillation « rapide » et « lente » des antineutrinos électroniques. ORCA va étudier les effets de matière imprimés dans l’oscillation « rapide » des neutrinos atmosphériques (électroniques et muoniques) lors de leur traversée du globe terrestre. En somme, les deux expériences vont explorer des propriétés distinctes des neutrinos, mais parce que leurs résultats dépendent pour les deux de la valeur de l’oscillation « rapide », elles devraient pouvoir mutuellement se renforcer et atteindre une précision supérieure à celle obtenue séparément.

Graphiques montrant la sensibilité des instruments à l'ordonnancement des masses du neutrino.
Sensibilité à l‘ordonnancement des masses du neutrino en fonction du temps de prise de données. ORCA (bleu) pourrait déterminer cet ordonnancement (à 5σ) avec de 3 à plus de 10 années de données, selon si la hiérarchie est normale ou inversée. En combinant les données d’ORCA avec ceux de JUNO (rouge), la combinaison (vert) permet de déterminer cet ordonnancement avec de 2 à 6 années de données, soit de 1 à 4 ans en avance par rapport à ORCA seule.

L’idée des groupes KM3NeT de l’APC et JUNO de l’IPHC a donc été d’évaluer le gain en sensibilité qu’apporterait une analyse jointe des données obtenues par ces deux expériences. Ils n’ont pas été déçus ! La combinaison des données des deux expériences révèlerait l’ordre des masses des neutrinos avant la fin de la décennie.  Plus précisément, avec l’aide de JUNO, ORCA pourrait déterminer en 2 à 6 ans l’ordonnancement des masses, suivant que cet ordre serait conforme à l’ordre des autres particules du modèle standard ou inversé. Sans l’apport de JUNO, ce délai serait de 3 à 10 ans.

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