Depuis plus d’un siècle, les scientifiques sont fascinés par la possibilité que des dimensions spatiales minuscules et cachées puissent influencer la physique de notre monde tridimensionnel familier. Malgré des décennies de recherches expérimentales, il n’existe toujours pas de preuves concrètes de ces dimensions supplémentaires. Aujourd’hui, une étude récente propose un moyen de faire avancer cette recherche : utiliser la prochaine expérience Deep Underground Neutrino (DUNE) pour sonder ces dimensions cachées à travers le comportement des neutrinos.
Les neutrinos font partie des particules les plus insaisissables de l’univers, ce qui leur vaut le surnom de « particules fantômes » Il existe trois types connus – ou « saveurs » – de neutrinos, chacun ayant une masse des milliards de fois inférieure à celle d’un électron. Ces particules sont remarquables par leur capacité à se transformer – ou à osciller – en différentes saveurs lorsqu’elles voyagent dans l’espace, même sans interagir avec d’autres particules.
Étudier les neutrinos avec DUNE
DUNE est une prochaine expérience d’oscillation de neutrinos basée dans l’Illinois et le Dakota du Sud. « Dans cette expérience, les neutrinos sont générés par un accélérateur de particules au Fermilab (dans l’Illinois), parcourent une distance de 1 300 kilomètres (800 miles) et sont observés à l’aide d’un énorme détecteur souterrain dans le Dakota du Sud. » Mehedi Masudprofesseur à l’Université Chung-Ang en Corée du Sud et co-auteur de l’étude, a déclaré à Live Science par e-mail.
La configuration expérimentale est idéale pour étudier les oscillations des neutrinos. Les neutrinos créés lors des collisions du Laboratoire Fermi – principalement des neutrinos muoniques (l’une des trois saveurs) – traverseront la Terre pour atteindre le détecteur du Dakota du Sud. En cours de route, certaines de ces particules devraient se transformer en deux autres types : les neutrinos électroniques et les neutrinos tau.
En observant l’évolution des différentes saveurs au cours de leur voyage, les scientifiques de DUNE espèrent résoudre plusieurs questions fondamentales en physique des neutrinos, telles que la hiérarchie des masses des neutrinos, les paramètres précis régissant l’oscillation et le rôle que les neutrinos ont pu jouer dans la création de la matière-antimatière. déséquilibre dans l’univers.
Sonder des dimensions supplémentaires avec les oscillations des neutrinos
L’étude, publiée dans le Journal de physique des hautes énergies en novembre, propose que le comportement énigmatique des neutrinos pourrait s’expliquer si, en plus des trois dimensions familières de l’espace, il existait des dimensions spatiales supplémentaires à l’échelle du micromètre (millionième de mètre). Bien que minuscules par rapport aux normes quotidiennes, ces dimensions sont remarquablement grandes par rapport aux échelles femtométriques (un quadrillionième de mètre) typiques de particules subatomiques.
« La théorie des grandes dimensions supplémentaires, d’abord proposé par Arkani-Hamed, Dimopoulos et Dvali en 1998, suggère que notre espace tridimensionnel familier est intégré dans un cadre de dimension supérieure » de quatre dimensions ou plus, a expliqué Masud. « La principale motivation de cette théorie est de comprendre pourquoi pesanteur est beaucoup plus faible que les autres forces fondamentales de la nature. En outre, la théorie des grandes dimensions supplémentaires offre une explication potentielle de l’origine des minuscules masses de neutrinos, un phénomène qui reste inexpliqué au sein du monde. Modèle standard de physique des particules« .
Si des dimensions supplémentaires existent, elles pourraient modifier subtilement les probabilités d’oscillation des neutrinos de manière détectable par DUNE, selon les auteurs de l’étude. Ces distorsions pourraient apparaître comme une légère suppression des probabilités d’oscillation attendues et comme de petites « oscillations » oscillatoires à des énergies de neutrinos plus élevées.
Simuler les données DUNE pour rechercher des dimensions supplémentaires
Dans cette étude, les auteurs ont considéré le cas d’une seule dimension supplémentaire. Les effets d’une dimension supplémentaire sont déterminés principalement par sa taille. Cette dépendance crée une opportunité pour les chercheurs d’étudier la présence de telles dimensions en analysant comment neutrinos interagir avec la matière à l’intérieur du détecteur. La dimension supplémentaire influence les probabilités d’oscillation des neutrinos, qui, à leur tour, peuvent révéler des indices précieux sur son existence potentielle et ses propriétés.
« Nous avons simulé plusieurs années de données sur les neutrinos de l’expérience DUNE à l’aide de modèles informatiques », a déclaré Masud. « En analysant les effets à faible et à haute énergie des grandes dimensions supplémentaires sur les probabilités d’oscillation des neutrinos, nous avons évalué statistiquement la capacité de DUNE à limiter la taille potentielle de ces dimensions supplémentaires, en supposant qu’elles existent dans la nature. »
L’analyse de l’équipe suggère que l’expérience DUNE sera capable de détecter une dimension supplémentaire si sa taille est d’environ un demi-micron (un millionième de mètre). DUNE est actuellement en construction et devrait commencer la collecte de données vers 2030. Après plusieurs années d’exploitation, les données accumulées seront probablement suffisantes pour une analyse complète de la théorie des grandes dimensions supplémentaires. L’équipe s’attend à ce que les résultats de cette analyse soient disponibles dans environ une décennie.
En outre, ils pensent qu’à l’avenir, la combinaison des données de DUNE avec d’autres méthodes expérimentales – telles que des expériences avec des collisionneurs ou des observations astrophysiques et cosmologiques – améliorera la capacité d’étudier les propriétés de dimensions supplémentaires avec plus de précision et d’exactitude.
« À l’avenir, l’intégration d’entrées provenant d’autres types de données pourrait resserrer davantage ces limites supérieures, rendant plus plausible la découverte de grandes dimensions supplémentaires, si elles existent dans la nature », a déclaré Masud. « En plus d’être une voie passionnante pour la nouvelle physique, la présence potentielle de grandes dimensions supplémentaires pourrait également aider DUNE à mesurer plus précisément les inconnues standards dans la physique des neutrinos, sans l’influence d’effets inexpliqués. »
