Le projet US Neutrino en difficulté fait face à un avenir incertain – et de nouvelles opportunités News and Research

En creusant et en forant à travers un dédale de tunnels dans la mine d’or abandonnée de Homestake dans le Dakota du Sud, les ingénieurs se préparent à l’installation de l’expérience Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), le dernier et le plus grand projet américain de physique des particules. Mais les choses ne se déroulent pas comme prévu : les revers liés à la construction ont retardé les débuts à grande échelle de DUNE d’un peu plus tard cette décennie à, au mieux, le milieu des années 2030. Et, comme le calendrier de DUNE a glissé, sa compétitivité avec d’autres expériences sur les neutrinos a également diminué, ce qui a conduit le Département américain de l’énergie (DOE) à annoncer l’automne dernier sa décision controversée de scinder le mégaprojet en deux phases.

Cette approche en deux phases, espèrent les physiciens des particules aux États-Unis, aidera ce projet phare en déclin à suivre le rythme de ses rivaux tout en créant une marge de manœuvre pour réimaginer les étapes ultérieures de sa conception. “Le vrai succès n’est peut-être pas exactement sur la même voie que nous le pensions il y a 10 ans”, déclare Kate Scholberg, expérimentatrice à l’Université Duke.

En collaboration avec le Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF), DUNE cherche à interroger les particules les plus insaisissables du modèle standard de la physique des particules, que beaucoup soupçonnent d’être un portail vers la théorie à venir. Mais l’année dernière, le prix du mégaprojet a été réévalué à plus de 3 milliards de dollars pour la seule première phase, soit environ le double de l’estimation initiale pour l’ensemble de l’effort.

L’excavation de 800 000 tonnes courtes de roche pour faire de la place pour quatre modules de détection lourds s’est avérée plus compliquée que prévu. “Des hypothèses incorrectes ou des estimations prématurées” sur l’état de la mine signifiaient que l’infrastructure devait être remise à neuf avant que l’excavation puisse commencer, a déclaré un porte-parole du DOE. Le coût d’installation des détecteurs a également été sous-estimé. De ce fait, le basculement sur LBNF/DUNE a été retardé de plusieurs années, et le projet doit être réaffirmé par le Congrès compte tenu de l’ampleur du dépassement budgétaire.

Maintenant que les physiciens des particules se réunissent pour Snowmass, un processus avec des réunions périodiques pour définir les priorités de recherche de la prochaine décennie aux États-Unis, certains ont soulevé le spectre que LBNF / DUNE pourrait arriver deuxième, voire troisième, en marquant certains de ses objectifs scientifiques motivants. . “Comment pouvons-nous changer notre façon de penser à DUNE pour atteindre ces objectifs et plus encore, ou les faire encore mieux?” demande Jonathan Asaadi, expérimentateur à l’Université du Texas à Arlington. “L’intérêt du processus Snowmass est d’avoir ces discussions très difficiles, puis de parvenir à un consensus.”

Des neutrinos à la nouvelle physique

Les neutrinos sont, sans aucun doute, les habitants les plus étranges du bestiaire vaste et varié de la physique des particules : ils se présentent sous trois types, mais oscillent d’une manière ou d’une autre entre ces différentes formes au cours de leur voyage. C’est surprenant, car les neutrinos ne peuvent osciller que s’ils ont une masse – une propriété qui entre en conflit avec les prédictions du modèle standard par ailleurs très réussi. Depuis la découverte de ce comportement de changement de forme en 1998, les physiciens ont eu du mal à déterminer exactement comment les neutrinos oscillent, et il reste trois mesures manquantes de paramètres cruciaux.

Le premier et le plus connu paramètre, la violation de la parité de charge (CP), dicte si les neutrinos et leurs homologues antiparticules oscillent de la même manière, et pourrait aider à expliquer pourquoi il y a plus de matière que d’antimatière dans l’univers. La seconde détermine quels sont les types de neutrinos les plus lourds et les plus légers. Et le troisième est lié à la probabilité qu’un type de neutrino se transforme en un autre type. Les physiciens ont imaginé LBNF / DUNE il y a dix ans, lors d’un précédent jamboree Snowmass, comme moyen de mesurer tout cela et plus encore.

Les motivations étaient à peu près les mêmes pour l’expérience concurrente japonaise sur les neutrinos Hyper-K – une chambre souterraine encore plus grande qui est remplie d’eau au lieu de l’argon liquide de DUNE. Hyper-K vise à mesurer rigoureusement la violation de CP à la fin des années 2020, avant même que le faisceau de neutrinos désormais retardé de LBNF / DUNE ne s’allume. Pendant ce temps, des combinaisons de plusieurs petites expériences sur les neutrinos – à savoir IceCube, JUNO et KM3NeT – devraient peser sur ces énigmes et d’autres énigmes de longue date sur les neutrinos au cours de la prochaine décennie. “DUNE court un risque très sérieux de ne pas mesurer ces paramètres en premier”, déclare Asaadi. “Historiquement, les grands projets au Japon ont pu respecter les délais avec beaucoup plus de fidélité que de nombreux grands projets américains.”

Pourtant, Asaadi et bien d’autres soulignent que ces expériences sont autant des collaborateurs que des concurrents. “Nous sommes tous en train de nous enraciner les uns les autres et de nous enraciner les uns contre les autres en même temps”, déclare Mark Messier, un expérimentateur qui a travaillé sur Super-K (le prédécesseur d’Hyper-K) en tant qu’étudiant diplômé et travaille maintenant sur DUNE et autres détecteurs de neutrinos.

D’une part, toute découverte doit être confirmée par une autre expérience indépendante pour être prise au sérieux. “Pour le bien de la science, nous ne nous soucions pas vraiment de savoir qui obtient la réponse”, déclare André Luiz De Gouvêa de la Northwestern University. “Mais vous ne voulez pas qu’il y ait un grand décalage horaire entre les projets.… Un projet peut voler la vedette à un autre.” Et bien que les physiciens de haut niveau acceptent l’importance de la validation au lieu d’être les premiers à une découverte, le concept d’arriver à la « deuxième place » est plus difficile à vendre pour les politiciens qui détiennent les cordons de la bourse.

Là encore, le nouveau phasage de LBNF / DUNE est peut-être ce qui, en fin de compte, maintient le projet sain et compétitif. “Vous vous assurez d’obtenir des résultats, plutôt que de laisser tout retarder en attendant la pleine échelle”, explique Gabriel Orebi Gann de l’Université de Californie à Berkeley. “La seule façon de garantir de perdre la course est même de ne pas la courir.”

Mais cette approche comporte un nouveau risque : le financement de la seconde phase n’est pas assuré. “Les gens sont invités à réfléchir à la phase deux et à ce qu’elle apporte à la table un peu plus attentivement qu’auparavant”, a déclaré de Gouvêa. “Vous voulez vous assurer d’avoir une bonne histoire à raconter, pour vous convaincre et convaincre tout le monde que la phase deux est un investissement rentable.”

Sophisme du coût irrécupérable ou opportunité en or ?

Alors que des projets à grande échelle comme LBNF / DUNE se sont intensifiés au cours des cinq dernières années, le Congrès a augmenté le budget global du DOE pour la physique des hautes énergies de près de 30 %. Le financement de la recherche fondamentale dans les universités ainsi que de la R&D sur les nouvelles technologies d’accélérateurs et de détecteurs a cependant diminué. Le nouveau phasage de la LBNF/DUNE vise à rééquilibrer le budget, a indiqué un porte-parole du DOE. “La communauté doit vraiment être sérieuse quant aux délais et objectifs raisonnables”, dit Asaadi, sinon le mégaprojet pourrait “aspirer tout l’air de la pièce”.

Tout cela se produit pendant une période turbulente pour l’hôte du LBNF / DUNE, le Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab). L’automne dernier, le directeur du Fermilab, Nigel Lockyer, a démissionné pour des raisons non révélées. Peu de temps après, le Fermilab a également reçu un rare “C” du DOE dans son bulletin de gestion de projets scientifiques et technologiques.

Malgré l’incertitude, s’en tenir à la portée originale de LBNF / DUNE est pour beaucoup encore une évidence. “Il est difficile d’imaginer une seule expérience d’oscillation de neutrinos qui soit meilleure”, déclare Peter Denton, théoricien des neutrinos au Brookhaven National Laboratory. Contrairement à d’autres expériences, le faisceau de neutrinos sonderait une large gamme d’énergies, prenant ainsi une image plus complète de la façon dont les neutrinos oscillent. Les détecteurs remplis d’argon liquide peuvent également suivre les trajectoires des particules beaucoup plus précisément que ceux contenant de l’eau. “La technologie de l’argon liquide est difficile, mais nous obtenons quelque chose pour cette difficulté”, déclare Denton. L’espoir est que cette configuration nouvelle et ambitieuse permettra non seulement de cartographier les oscillations des neutrinos en haute résolution, mais que des signes de nouvelles particules et forces pourraient apparaître, et que les physiciens pourraient enfin saisir l’origine déconcertante de la masse des neutrinos.

Pour ces raisons, en 2014, la communauté de la physique des particules s’est ralliée à de nouveaux détecteurs d’argon liquide plutôt qu’à des détecteurs d’eau éprouvés – et la plupart des physiciens des neutrinos ne voient aucune raison pour que cela change. “Il y a un très fort soutien au sein de la communauté pour [LBNF/DUNE] arriver », déclare Orebi Gann. Pourtant, dans des documents internes vus par Scientifique Américainun co-porte-parole actuel de DUNE s’est présenté avec succès aux élections plus tôt cette année sur la base que “LBNF / DUNE connaît actuellement une mauvaise acceptation dans le [high-energy physics] communauté… défiant sérieusement l’avenir de DUNE. ”

Presque tout le monde s’accorde à dire qu’avec des milliards de dollars déjà alloués au mégaprojet – par les États-Unis et des partenaires internationaux – il n’y a pas de retour en arrière. “Le sophisme du” coût irrécupérable “est toujours présent lorsque vous êtes aussi loin sur la route”, déclare Asaadi. Les sommités de la communauté de la physique des particules sont hantées par l’annulation du super collisionneur supraconducteur, un accélérateur de particules de plusieurs milliards de dollars, au début des années 1990. Le Congrès a retiré le financement après que le budget a explosé et que des dépenses douteuses pour des fêtes coûteuses et des déjeuners avec traiteur ont été révélées. En conséquence, “la physique des particules s’est déplacée vers l’Europe”, explique Francis Halzen, chercheur principal de l’expérience sur les neutrinos IceCube. “J’espère que tout le monde a appris qu’en tuant un projet, l’argent ne vous revient pas, ni même à la science.”

Là encore, soutenir incontestablement un grand projet dont les aspirations de « première mondiale » ne sont peut-être plus réalisables comporte aussi des risques. «Nous sommes dans un catch-22. L’annulation de DUNE serait un œil au beurre noir pour la crédibilité de la physique des hautes énergies », a déclaré une source anonyme et membre de la collaboration DUNE. Scientifique Américain. “Nous devons trouver un moyen de sortir de cela, et la sortie n’est pas évidente.”

Tous ensemble maintenant

Lors des réunions de Snowmass, un exercice d’équilibriste est maintenant en cours pour rassembler à nouveau résolument les physiciens des particules autour de LBNF / DUNE, certains décrivant la nouvelle conception progressive comme une opportunité de transformer des citrons en limonade. Outre la mise à niveau du faisceau de neutrinos et de la taille du détecteur, la deuxième phase laisse également deux des quatre modules de DUNE indéfinis – et les nouvelles idées sont les bienvenues. “Il y a beaucoup d’enthousiasme à ce sujet et beaucoup d’idées créatives pour les nouveaux détecteurs”, déclare Scholberg, qui co-convoque le groupe prioritaire de physique des neutrinos pour le dernier Snowmass, qui se poursuit cet été.

Les connaissances théoriques de ces dernières années ont ouvert la porte à de nouveaux types de recherches sur la matière noire au LBNF / DUNE, tandis que les détecteurs à déterminer pourraient également abriter une expérience de «double désintégration bêta sans neutrinos» pour rechercher des preuves que les neutrinos sont leur propre antiparticule . Des détecteurs de supernovae améliorés et la poursuite de mystérieux neutrinos stériles sont également sur la table pour remplir les deux fentes de détection ouvertes. “Si vous élargissez cette collaboration [to other areas of physics]cela fait venir plus de personnes qui peuvent y arriver », explique Jocelyn Monroe, expérimentatrice de la matière noire au Royal Holloway, Université de Londres.

D’autres préfèrent doubler les ambitions mondiales de DUNE, en donnant la priorité aux avancées dans la conception des détecteurs et les techniques d’analyse qui ne seraient normalement pas prises en compte dans une course à la première place. “Beaucoup de très bonnes idées ont tendance à être repoussées parce que DUNE est ‘sur des rails’ : ça doit marcher, et ça doit être fait cette façon », dit Asaadi. Une nouvelle proposition, appelée THEIA, combine un détecteur à base d’eau, comme Hyper-K, à côté d’un détecteur de “scintillation” qui s’apparente davantage à DUNE – pour récolter les bénéfices des deux approches.

Parmi les physiciens, il semble y avoir un accord universel sur une chose : les enjeux de transformer l’erreur de coût irrécupérable de DUNE en une opportunité sont élevés. “Ce sur quoi nous travaillons vraiment très dur en ce moment, c’est d’essayer d’établir toutes ces connexions avec le reste de la communauté Snowmass”, déclare Scholberg. Les discussions se poursuivront tout au long de l’été, puis alimenteront les décisions du Particle Physics Project Prioritization Panel, un groupe consultatif fédéral américain, qui décidera l’année prochaine si DUNE / LBNF reste un projet phare américain. “Nous devons nous assurer que tout le monde est à bord”, déclare Gouvêa. “L’incertitude est mauvaise pour un projet à très long terme car les gens doivent y investir une grande partie de leur temps.” Vous ne voulez pas que l’effort soit vain. »

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