Essayant de garder une longueur d’avance sur la concurrence, les États-Unis réduisent l’expérience troublée de 3 milliards de dollars sur les neutrinos | La science

Aux prises avec des dépassements de coûts, le ministère de l’Énergie (DOE) a décidé de construire la prochaine grande expérience de physique des particules des États-Unis en deux phases, ont déclaré des responsables aux physiciens ce mois-ci. La décision signifie que le mégaprojet – en fait deux efforts entrelacés appelés Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) et Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) – ne sera pas achevé selon ses spécifications d’origine avant le milieu des années 2030 au lieu de la fin de cette décennie, et que son coût déjà gonflé va encore augmenter.

Mais le plan ajusté devrait obtenir une version allégée de LBNF / DUNE en cours d’exécution dès 2029, selon les chercheurs. Avec ce calendrier, l’expérience a encore une chance de battre un rival au Japon appelé Hyper-Kamiokande (Hyper-K) pour une mesure clé des neutrinos, déclare Jim Siegrist, directeur associé du DOE pour la physique des hautes énergies, qui a présenté le plan par vidéo. le 16 mars lors d’un exercice de planification communautaire connu sous le nom de processus Snowmass. “Le DOE pense qu’il y a encore une chance pour LBNF / DUNE de passer en premier”, a écrit Siegrist dans un e-mail.

Les physiciens impliqués dans le projet ont suggéré le changement de cap, explique Regina Rameika, physicienne des neutrinos au Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) et co-porte-parole de la collaboration DUNE qui compte 1400 membres. “Nous sommes tous sur la même longueur d’onde sur ce qui vient en premier et ce qui vient en second”, dit-elle. Mais le calendrier étiré présente un défi, explique Inés Gil-Botella, physicienne DUNE au Centre espagnol de recherche énergétique, environnementale et technologique. «Nous devons travailler plus dur pour réduire autant que possible les retards entre la phase un et la phase deux», dit-elle. Le plan révisé indique clairement que l’estimation actuelle des coûts de 3 milliards de dollars – près du double de l’original – s’applique désormais à la seule première phase.

Presque sans masse et interagissant rarement avec d’autres matières, les neutrinos sont de trois types – électron, muon et tau – selon la façon dont ils sont générés. Un type peut se transformer en un autre lorsque les particules glissent à une vitesse proche de la lumière. Pour étudier ces oscillations de neutrinos, les physiciens peuvent émettre un faisceau de neutrinos muoniques généré avec un accélérateur de particules vers un énorme détecteur à des centaines de kilomètres de distance, qui compte les neutrinos muoniques arrivant – ainsi que les neutrinos électroniques qui sont apparus en cours de route.

LBNF / DUNE tirerait un faisceau intense de neutrinos muoniques du laboratoire Fermi vers un détecteur situé à 1300 kilomètres dans la mine d’or abandonnée Homestake à Lead, dans le Dakota du Sud. Rempli d’argon liquide glacial, le nouveau détecteur DUNE capturerait les collisions de neutrinos et de noyaux atomiques avec des détails sans précédent. En plus de mettre la théorie des physiciens sur les oscillations des neutrinos à l’épreuve, il rechercherait la violation de la parité de charge (CP), une asymétrie entre les oscillations des neutrinos et des antineutrinos qui pourrait aider à expliquer comment l’univers a créé plus de matière que d’antimatière.

Après s’être disputés pendant une décennie, les physiciens américains se sont ralliés à l’expérience en 2013 dans le précédent Snowmass. Un an plus tard, le groupe de priorisation des projets de physique des particules (P5) du DOE l’a nommé le nouvel effort national phare. En 2015, le DOE a adopté la vision P5 : une expérience financée au niveau international qui aurait un détecteur d’argon liquide avec une masse cible d’au moins 40 000 tonnes, un faisceau de neutrinos alimenté par un faisceau de protons de plusieurs mégawatts et un détecteur plus petit au Fermilab pour surveiller la sortie faisceau. Il coûterait moins de 1,9 milliard de dollars et serait achevé d’ici 2028, a estimé le DOE. Mais la rénovation et l’excavation de la mine ont contribué à faire grimper les coûts et à retarder les progrès.

Maintenant, Siegrist dit que le projet commencera plus petit, avec un détecteur dans le Dakota du Sud contenant seulement deux des quatre modules d’argon prévus, avec une masse cible combinée ne dépassant pas 24 000 tonnes. La puissance du faisceau de protons du Laboratoire Fermi sera limitée à 1,2 mégawatts et le détecteur du laboratoire sera plus simple. Après avoir terminé la première phase, le DOE pourrait poursuivre le plus grand détecteur et le meilleur faisceau dans une mise à niveau coûtant probablement des centaines de millions de dollars.

Avec seulement cette première phase, LBNF / DUNE devrait être en mesure de mesurer la violation de CP. Mais les physiciens du Japon Hyper-K disent qu’ils commenceront à prendre des données en 2028, un an avant LBNF / DUNE. Hyper-K consistera en un réservoir cylindrique souterrain de 70 mètres de haut et rempli de 260 000 tonnes d’eau ultra pure. Quelque 40 000 phototubes capteront les éclairs de lumière distinctifs générés lorsque les neutrinos tirés du complexe de recherche de l’accélérateur de protons du Japon à Tokai, à 295 kilomètres à l’est, interagissent avec l’eau.

Les travailleurs au Japon ont déjà commencé les fouilles, explique Matthew Malek, physicien Hyper-K à l’Université de Sheffield. Compte tenu de l’approche relativement conservatrice du Japon en matière de programmation, cette date est susceptible de tenir, dit-il. “A ce stade, il n’y a vraiment aucune chance que DUNE s’allume avant Hyper-K”, dit-il. Mais Marvin Marshak, un physicien DUNE à l’Université du Minnesota, Twin Cities, ne concédera pas la course à l’avance. “Une chose que j’ai apprise au cours des 50 dernières années que j’ai faites, c’est de ne pas surestimer votre concurrence”, dit-il.

Hyper-K et DUNE rechercheront également des neutrinos provenant d’explosions de supernova et des signes que les protons peuvent se désintégrer. L’objectif ultime de DUNE est de sonder le modèle des physiciens de trois types de neutrinos avec suffisamment de précision pour dire s’il se décompose à un certain niveau, ce qui pourrait être la preuve de nouvelles particules et forces, explique Gil-Botella. Pour des raisons techniques, Hyper-K aura du mal à le faire, dit-elle.

Le DOE a demandé aux physiciens de peser le dossier scientifique de la deuxième phase du nouveau processus Snowmass et de la priorisation ultérieure du P5, donnant potentiellement aux sceptiques une chance de se demander si l’ensemble du projet vaut le coût plus élevé. Tao Han, un théoricien de l’Université de Pittsburgh qui a été impliqué dans l’organisation de Snowmass, prédit que les physiciens américains lui réitéreront leur soutien. « Nous aurons le soutien de la communauté pour atteindre notre objectif final », dit-il.

Malek se demande si le nouveau plan est la manière du DOE de dire que la première étape est tout ce qu’il construira. “Lorsque vous construisez quelque chose en plusieurs étapes, les chances de dépasser la première étape sont plus improbables que probables”, dit-il. Mary Bishai, physicienne DUNE au laboratoire national de Brookhaven, lit les choses différemment : “Jim Siegrist a dit” Allez à Snowmass et revenez avec un plan pour les troisième et quatrième modules de détection. ” Il n’a pas dit: ‘Nous avons terminé.’ “

La question survient à un moment de flux pour le programme américain. Fermilab, le seul laboratoire américain dédié à la physique des particules, est à la recherche d’un nouveau directeur après que Nigel Lockyer a annoncé en septembre 2021 qu’il se retirerait – 3 mois avant que le DOE n’échoue le laboratoire dans son examen annuel des performances, notant en partie les problèmes avec LBNF / DUNE. Et le 31 mars, Siegrist, 69 ans, prendra sa retraite après 10 ans à la tête du programme de physique des hautes énergies du DOE. Alors que la physique des particules aux États-Unis entre dans des eaux agitées, on ne sait pas qui prendra la barre.

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