Pourquoi la matière est-elle dominante dans l'Univers ? Pour tenter d'éclaircir le mystère de l'asymétrie matière-antimatière, la collaboration internationale T2K (Tokai-to-Kamiokande) étudie les transformations (ou oscillations) des neutrinos et des antineutrinos.
En quoi consiste l'expérience ? L'accélérateur de protons de J-PARC à Tokai (Japon) permet de produire un faisceau de neutrinos et d'antineutrinos de « saveur » muonique qui se transforment en neutrinos et antineutrinos d'autres saveurs (électronique ou tauique) au cours de leur propagation. Les scientifiques comparent les neutrinos et antineutrinos détectés à Tokai et à environ 300 km de distance, sous une montagne à Kamioka, où se trouve Super-Kamiokande, un gigantesque détecteur constitué de 50 000 tonnes d'eau ultra-purifiée et désormais dopée au gadolinium.
Une possible asymétrie neutrino-antineutrino
En 2020, la collaboration révèle des résultats indiquant une possible asymétrie dans les oscillations de neutrinos et d'antineutrinos qui signerait une violation de la « symétrie CP » (charge-parité). Pour confirmer ce point, il est nécessaire d'accumuler davantage de données, en augmentant le flux de neutrinos étudiés. Voilà pourquoi l'accélérateur J-PARC monte en puissance de 450 kW à 710 kW en 2024, puis atteindra 1,2 MW à partir de 2027.
Pour profiter pleinement de cette augmentation de la statistique, il faut également réduire les incertitudes systématiques et améliorer les performances du détecteur ND280, proche de la production des neutrinos et antineutrinos.
L'Irfu a fortement contribué à l'une des opérations prévues dans ce cadre : l'intégration de deux nouveaux détecteurs (appelés chambres à projection temporelle) qui autorisent la mesure de particules incidentes avec de grands angles par rapport à l'axe du faisceau (High-Angle Time Projection Chambers ou HA-TPC). Ces HA-TPC sont lues par des détecteurs basés sur la technologie Micromegas « à anode résistive encapsulée » permettant d'améliorer la résolution spatiale (< 800 μm) pour une segmentation donnée (1 cm2).
Les équipes de l'Irfu se sont activement impliquées dans la conception, la production et les tests des détecteurs Micromegas. Elles ont aussi conçu et optimisé leur agencement sur la nouvelle HA-TPC et l'électronique de lecture associée. La production et les tests d'un grand nombre de ces modules ont été réalisés au Cern.
Tests réussis
Le déploiement de la première HA-TPC est un succès. Les premières interactions de neutrinos ont été observées dans le nouveau détecteur proche ND280, avec le faisceau de neutrinos plus intense qu'auparavant grâce à la jouvence de l'accélérateur de J-PARC. La dernière HA-TPC devrait être installée en mai 2024, pour un démarrage de la collecte de données à partir de juin 2024.
Les nouvelles données de T2K attendues permettront de raffiner les contraintes relatives à la violation de CP et de tester de manière plus précise le paradigme des oscillations à trois neutrinos, en visant une précision supérieure à 2 % pour les paramètres régissant la disparition des neutrinos muoniques.
Lire l'actualité de la DRF précédente : L'asymétrie matière-antimatière revisitée grâce aux neutrinos