Searching non-standard interactions with atmospheric neutrinos at ESSnuSB

Cet article examine le potentiel du détecteur lointain proposé pour ESSnuSB afin de contraindre les interactions non standard des neutrinos en utilisant les neutrinos atmosphériques, démontrant qu'il peut établir des limites supérieures compétitives sur les paramètres d'interaction tout en soulignant la complémentarité de l'expérience avec les programmes basés sur des accélérateurs et son impact sur les sensibilités à l'ordre de masse et à l'octant.

L'essentiel

Imaginez que l'univers soit rempli d'une pluie fantomatique de minuscules particules appelées neutrinos. Ces particules sont créées lorsque les rayons cosmiques frappent l'atmosphère terrestre, tombant sur nous de toutes les directions. Elles sont si insaisissables qu'elles peuvent traverser la Terre entière sans heurter quoi que ce soit, ce qui les rend incroyablement difficiles à capturer et à étudier.

Ce document porte sur une expérience proposée appelée ESSnuSB, qui prévoit de construire une immense « file » souterraine (un gigantesque réservoir d'eau) en Suède pour capturer ces neutrinos atmosphériques. Les chercheurs souhaitent utiliser cette file non seulement pour compter les neutrinos, mais aussi pour déterminer s'ils se comportent exactement comme le prédisent nos lois physiques actuelles, ou s'ils font quelque chose d'étrange qui suggère une nouvelle physique.

Voici une décomposition de ce qu'ils recherchent, en utilisant des analogies simples :

1. Les règles « standards » contre les règles « nouvelles »

Considérez le Modèle Standard de la physique comme un manuel de règles bien rédigé décrivant le comportement des neutrinos. Il stipule que, lors de leur déplacement, les neutrinos peuvent « changer de costume » (osciller) d'un type (saveur) à un autre, comme un caméléon change de couleur.

Cependant, les chercheurs soupçonnent l'existence d'interactions non standard (NSI).

• L'analogie : Imaginez que les neutrinos sont des voitures roulant sur une autoroute. Le Modèle Standard indique que la route est lisse et que les voitures suivent des trajectoires prévisibles. Les NSI suggèrent qu'il pourrait y avoir des « bosses » invisibles ou des « rafales de vent » (interactions avec la matière) qui poussent les voitures hors de leurs trajectoires attendues, d'une manière que le manuel n'explique pas.
• L'objectif : L'article pose la question : « Si nous observons suffisamment de voitures (neutrinos) traverser la Terre, pouvons-nous détecter ces bosses invisibles ? »

2. L'expérience : une immense file sous-marine

Le projet ESSnuSB construit deux immenses réservoirs d'eau cylindriques au fond d'une mine en Suède.

• La file : Lorsqu'un neutrino heurte une molécule d'eau, il produit un flash de lumière (comme une étincelle dans le noir). Les capteurs du réservoir capturent cette lumière.
• Les données : Ils simulent 5,4 millions de tonnes d'eau observant pendant 10 ans. C'est une quantité massive de données, équivalente à la capture d'un grand nombre de ces particules « fantômes ».
• La méthode : Ils utilisent de puissantes simulations informatiques (Monte Carlo) pour prédire à quoi devraient ressembler les données si les « règles standards » sont vraies. Ensuite, ils comparent cela à l'apparence des données si ces « bosses » invisibles (NSI) existent.

3. Ce qu'ils ont trouvé (les résultats)

Les chercheurs ont exécuté leurs simulations pour évaluer la capacité de cette expérience à repérer ces bosses invisibles.

• Fixer des limites : Ils ont constaté que s'ils n'observent aucun comportement étrange, ils peuvent affirmer avec confiance que ces « bosses invisibles » sont très petites. Plus précisément, ils peuvent exclure certains types d'interactions étranges avec un haut degré de certitude (confiance à 90 %).
  • Analogie : C'est comme dire : « Nous avons observé 10 000 voitures, et aucune ne s'est écartée de sa trajectoire. Par conséquent, nous savons avec certitude que les rafales de vent les poussant hors de la route sont inférieures à 8 kilomètres par heure. »
• Chiffres spécifiques : Ils ont calculé la taille maximale possible de ces interactions. Par exemple, ils peuvent prouver qu'un type spécifique d'interaction (impliquant des neutrinos électroniques et muoniques) est inférieur à 0,053. C'est une contrainte très stricte, ce qui signifie que les « bosses » sont très subtiles si elles existent.
• Comparaison : Leur expérience proposée devrait être 3 à 4 fois plus sensible que les expériences actuelles pour certaines de ces interactions. C'est comme passer d'une paire de jumelles à un télescope haute puissance.

4. Les « effets secondaires » sur d'autres mesures

L'article a également vérifié si la recherche de ces « bosses » nuirait à leur capacité à mesurer d'autres aspects qui les intéressent.

• L'ordre des masses : Les physiciens veulent savoir quel neutrino est le plus lourd. L'article indique que même si ces « bosses » existent, l'expérience ESSnuSB pourra toujours déterminer l'ordre des masses avec une très haute confiance (plus de 6 sigma, ce qui est l'étalon-or en physique).
• L'« octant » : Cela fait référence à un angle spécifique dans le comportement du neutrino. L'article conclut que même avec la complexité supplémentaire de la recherche de nouvelle physique, l'expérience pourra toujours déterminer cet angle avec précision.

5. La vue d'ensemble : la complémentarité

Les auteurs soulignent que cette étude sur les neutrinos atmosphériques est un partenaire idéal pour l'expérience principale ESSnuSB.

• L'expérience principale : Utilise un faisceau de neutrinos tiré par une machine (comme un pointeur laser) pour étudier des interactions spécifiques.
• Cette étude : Utilise la « pluie » naturelle de neutrinos atmosphériques provenant de tous les angles.
• Le résultat : En combinant l'approche « laser » avec l'approche « pluie », ils obtiennent une image beaucoup plus complète du monde des neutrinos. Si une méthode manque une « bosse » subtile, l'autre pourrait la capturer.

Résumé

En bref, cet article est une « preuve de concept » pour une expérience future. Il déclare : « Si nous construisons ce gigantesque détecteur d'eau en Suède et que nous observons les neutrinos atmosphériques pendant une décennie, nous serons en mesure d'établir des limites très strictes sur le fait que les neutrinos interagissent avec la matière de manières étranges et nouvelles. Même si nous ne trouvons pas de nouvelle physique, nous saurons exactement à quel point ces nouveaux effets doivent être petits, et nous pourrons toujours résoudre d'autres grands mystères des neutrinos. »

Résumé technique

Résumé technique : Recherche d'interactions non standard avec des neutrinos atmosphériques au ESSnuSB

Énoncé du problème
Le paradigme standard de la physique des neutrinos, caractérisé par trois angles de mélange, deux différences de masses au carré et une phase de violation de CP, a été contraint avec une précision de 2 à 4 % par les données mondiales. Cependant, des questions fondamentales concernant l'ordre de masse des neutrinos, l'octant de $\theta_{23}$ et la valeur précise de $\delta_{CP}$ demeurent. Par ailleurs, l'existence potentielle d'une physique au-delà du Modèle Standard (MS), spécifiquement des Interactions Non Standard (NSI), nécessite une investigation. Les NSI peuvent se manifester sous forme d'interactions supplémentaires à courant chargé (CC) ou à courant neutre (NC) affectant la production, la détection et la propagation des neutrinos. Bien que des études antérieures aient examiné les NSI dans le contexte du programme de faisceau de neutrinos à longue base du ESSnuSB, les perspectives spécifiques pour contraindre les NSI à courant neutre induits par la matière en utilisant des neutrinos atmosphériques au détecteur lointain proposé du ESSnuSB n'avaient pas été pleinement explorées.

Méthodologie
Ce travail examine la sensibilité du détecteur lointain du ESSnuSB aux paramètres des NSI de matière ($\epsilon^m_{\alpha\beta}$) en utilisant des données de neutrinos atmosphériques. L'analyse repose sur une simulation et un cadre statistique complets :

• Simulation et génération d'événements : Des échantillons de Monte Carlo (MC) ont été générés à l'aide du générateur d'événements de neutrinos GENIE, simulant des interactions de neutrinos atmosphériques avec des énergies $E_\nu \in [0.1, 100]$ GeV. La géométrie correspond à un détecteur à Tcherenkov d'eau avec une masse fiduciale de 540 kt, situé dans la mine de Zinkgruvan (environ 360 km de la source du ESS, 1 km de couverture rocheuse).
• Exposition : L'analyse suppose une exposition totale de 5,4 Mt$\cdot$an, équivalente à 10 ans de prise de données.
• Cadre d'oscillation : Les oscillations de neutrinos ont été implémentées via un algorithme de recoloration utilisant le logiciel GLoBES, étendu avec le module additionnel snu pour inclure les effets des NSI dans les calculs de probabilité. Le profil de densité de matière a été modélisé à l'aide d'un profil PREM avec 81 étapes.
• Effets du détecteur : Les événements ont été catégorisés en échantillons de type électronique ($\nu_e, \bar{\nu}_e$) et de type muonique ($\nu_\mu, \bar{\nu}_\mu$). Les efficacités du détecteur (variant de 54 % à 69 % selon la saveur) et les résolutions en énergie/angle zénithal (30 % pour les énergies sub-GeV, 10 % pour les énergies multi-GeV ; $10^\circ$ pour le zénith) ont été appliquées. L'identification de la charge n'a pas été supposée, traitant les neutrinos et les antineutrinos de même saveur au sein d'une même classe.
• Analyse statistique : Une minimisation du $\chi^2$ a été effectuée en utilisant une fonction de vraisemblance binnée (statistiques de Poisson) sur 100 classes d'énergie et 20 classes d'angle zénithal. Les incertitudes systématiques (normalisation du flux, section efficace, dépendance de l'angle zénithal, inclinaison de l'énergie et efficacité du détecteur) ont été intégrées via la méthode des paramètres de nuisance avec cinq paramètres de nuisance.
• Espace des paramètres : L'étude se concentre sur les six paramètres des NSI de matière : les paramètres complexes hors diagonale $\epsilon^m_{e\mu}, \epsilon^m_{e\tau}, \epsilon^m_{\mu\tau}$ et les différences diagonales $\epsilon^m_{ee} - \epsilon^m_{\mu\mu}, \epsilon^m_{\tau\tau} - \epsilon^m_{\mu\mu}$. L'analyse suppose un Ordre Normal (ON) pour la hiérarchie de masse réelle des neutrinos et fait varier les paramètres d'oscillation standards ($\theta_{23}, \Delta m^2_{31}, \delta_{CP}$) dans leurs intervalles d'ajustement global à $3\sigma$.

Contributions et résultats clés
L'article dérive les limites supérieures attendues sur les paramètres des NSI et évalue l'impact des NSI sur les mesures d'oscillation standards :

1. Contraintes sur les paramètres des NSI :
   En supposant un Ordre Normal et en minimisant sur les phases complexes ($\phi^m_{\alpha\beta}$), le détecteur lointain du ESSnuSB est prévu pour établir les limites supérieures suivantes au niveau de confiance (CL) de 90 % :

   • $|\epsilon^m_{e\mu}| < 0,053$
   • $|\epsilon^m_{e\tau}| < 0,057$
   • $|\epsilon^m_{\mu\tau}| < 0,021$
   • $\epsilon^m_{ee} - \epsilon^m_{\mu\mu} < 0,075$ (valeurs positives uniquement ; les valeurs négatives ne montrent aucune limite significative)
   • $|\epsilon^m_{\tau\tau} - \epsilon^m_{\mu\mu}| < 0,031$

   Si les phases complexes sont fixées à zéro, les limites s'améliorent considérablement (par exemple, $|\epsilon^m_{e\mu}| < 0,016$). L'étude note que, bien que ces limites améliorent les limites actuelles pour $\epsilon^m_{e\mu}$, $\epsilon^m_{e\tau}$ et $\epsilon^m_{\tau\tau} - \epsilon^m_{\mu\mu}$ par des facteurs d'environ 1,3 à 3,9, la contrainte existante d'IceCube sur $|\epsilon^m_{\mu\tau}|$ ($< 0,0041$) reste plus stricte que ce que le ESSnuSB peut atteindre avec des neutrinos atmosphériques.

2. Impact sur l'ordre de masse et l'octant de $\theta_{23}$ :
   La présence de NSI introduit des paramètres libres supplémentaires, dégradant potentiellement la sensibilité aux paramètres d'oscillation standards.

   • Ordre de masse : Même avec un paramètre de NSI de matière autorisé à varier librement, la sensibilité pour exclure le mauvais ordre de masse reste à environ $6,1\sigma$ CL ou plus, bien au-dessus du seuil de découverte de $5\sigma$.
   • Octant de $\theta_{23}$ : La sensibilité pour déterminer l'octant de $\theta_{23}$ est réduite de $0,1\sigma - 0,4\sigma$ CL par rapport au cas d'interaction standard, mais reste à un minimum de $2,6\sigma$ CL.

3. Robustesse systématique :
   L'analyse a investigué les impacts potentiels des incertitudes sur le rapport de flux $\nu_\mu/\nu_e$, les erreurs d'identification de saveur (jusqu'à 2 %) et les bruits de fond de muons atmosphériques. Ces facteurs se sont avérés avoir des effets négligeables sur les limites des NSI dérivées (changements < 5 %).

Signification
L'article affirme que les données de neutrinos atmosphériques collectées au détecteur lointain du ESSnuSB offrent une voie unique et complémentaire au programme principal de faisceau à longue base pour sonder la nouvelle physique. Plus précisément, les résultats mettent en évidence :

• Complémentarité : Le programme atmosphérique fournit des contraintes sur les paramètres des NSI qui sont distinctes et complémentaires de celles obtenues à partir du faisceau d'accélérateur, en particulier pour la différence diagonale $\epsilon^m_{ee} - \epsilon^m_{\mu\mu}$, pour laquelle aucune limite expérimentale antérieure n'existait pour les neutrinos atmosphériques.
• Robustesse des objectifs physiques : L'étude démontre que la recherche de NSI ne compromet pas les objectifs physiques principaux du ESSnuSB ; l'expérience conserve une sensibilité suffisante pour résoudre l'ordre de masse des neutrinos et l'octant de $\theta_{23}$, même en présence d'effets de matière non standards.
• Faisabilité : Le travail établit la faisabilité de l'utilisation des détecteurs à Tcherenkov d'eau du ESSnuSB pour la physique des neutrinos atmosphériques, exploitant la couverture rocheuse de 1 km pour supprimer les bruits de fond et la grande masse fiduciale pour accumuler des statistiques significatives.