The SHiP/NA67 experiment at the ECN3 high-intensity beam facility at the CERN SPS

Ce document expose la motivation physique, la conception expérimentale et la sensibilité attendue de l'expérience SHiP/NA67, une installation de déchet de faisceau à haute intensité approuvée au CERN en 2마다 4 pour rechercher des particules aux interactions faibles et étudier la phénoménologie des neutrinos sur une période opérationnelle de 15 ans.

L'essentiel

Imaginez que l'univers soit une ville géante et bouillonnante. Depuis des décennies, les scientifiques cherchent de nouveaux résidents (de nouvelles particules) en construisant des autoroutes massives et à grande vitesse (comme le Grand collisionneur de hadrons) pour faire s'entrechoquer des voitures à des vitesses incroyables. Ils espèrent qu'en frappant assez fort, de nouveaux résidents lourds apparaîtront.

Mais il y a un problème : certains résidents sont si timides et faibles qu'ils ne se montrent pas lors de ces collisions à haute vitesse, même s'ils existent. Ce sont les « interacteurs faibles » — des particules qui sont légères mais qui communiquent à peine avec le reste. Pour les trouver, vous n'avez pas besoin d'un marteau plus gros ; vous avez besoin d'une foule massive.

Ce document présente SHiP (Search for Hidden Particles), une nouvelle expérience approuvée en 2024, qui sera construite au CERN en Suisse. Considérez SHiP non pas comme un marteau de guerre, mais comme un immense filet jeté dans une rivière de particules.

L'installation : Une usine à particules

L'expérience utilise un puissant faisceau de protons (la « rivière ») et le fait s'écraser contre un bloc épais de tungstène (le « filet »).

• L'objectif : Ce crash crée une pluie massive de particules lourdes, dont certaines pourraient se désintégrer en les particules « timides » cachées que nous recherchons.
• Le volume : Sur 15 ans, ils prévoient de tirer suffisamment de protons pour créer 600 billiards (6×10²⁰) d'impacts. Il s'agit d'une quantité de données sans précédent.

Le défi : Le problème du « bruit »

Lorsque vous fracassez des protons dans une cible, vous obtenez beaucoup de « bruit ». Le plus gros perturbateur est un déluge de muons (un type de particule) et de neutrinos. C'est comme essayer d'entendre un chuchotement dans un stade rempli de supporters qui hurlent.

• La solution : SHiP utilise un gigantesque bouclier magnétique (comme un champ de force) pour dévier les muons qui hurlent.
• La salle à « fond nul » : Derrière le bouclier, il y a un long tunnel vide (le volume de désintégration). L'expérience est conçue de telle sorte que si une particule quelconque entre dans cette pièce alors qu'elle ne devrait pas y être, les capteurs la signalent instantanément. Cela crée un environnement à « fond nul » où la désintégration d'une seule particule cachée constituerait un signal clair et indéniable.

Les deux missions principales de l'expérience

1. Le « Chasseur de Fantômes » (Trouver les particules cachées)
L'expérience recherche des particules qui sont produites lors du crash, traversent le bouclier, puis se désintègrent (se brisent) à l'intérieur du long tunnel.

• Ce qu'ils traquent : Les Leptons Neutres Lourds (HNL), les Photons Noirs, les Scalars Noirs et les particules de type Axion.
• L'analogie : Imaginez un agent secret (la particule cachée) se faufilant à travers un point de contrôle de sécurité. Ils sont invisibles pour les gardes, mais une fois qu'ils atteignent une pièce sûre (le tunnel), ils retirent leur déguisement et se révèlent. Les caméras de SHiP sont si sensibles qu'elles peuvent repérer ce déguisement en train d'être retiré.
• Pourquoi c'est important : Ces particules pourraient expliquer pourquoi l'univers possède plus de matière que d'antimatière, ce qu'est la matière noire et pourquoi les neutrinos ont une masse.

2. L'Observatoire de Neutrinos (Étudier les fantômes)
Bien que l'objectif principal soit de trouver de nouvelles particules, le crash produit également un déluge massif de neutrinos (des particules fantomatiques qui traversent tout).

• Le cas particulier : SHiiller attrapera environ 1 000 neutrinos tau par an. C'est un nombre énorme comparé aux expériences précédentes.
• L'analogie : Les expériences précédentes étaient comme essayer d'étudier un oiseau rare en l'apercevant une fois par décennie. SHiP sera comme une tour d'observation qui voit des milliers de ces oiseaux rares chaque année.
• Le but : Cela permet aux scientifiques d'étudier comment ces neutrinos interagissent avec la matière de manières jamais vues auparavant, spécifiquement en observant comment ils se transforment en particules « tau ».

Calendrier et futur

• État actuel : Le projet est en phase de « Conception Technique » (finalisation des plans).
• Construction : L'installation est en cours de construction.
• Lancement : Ils prévoient de commencer à tirer le faisceau en 2033.
• Premiers succès : Même avant que la période complète de 15 ans ne soit terminée, les données collectées au cours des premières années fixeront probablement les meilleures limites mondiales sur l'endroit où ces particules cachées ne se trouvent pas, réduisant ainsi efficacement le champ de recherche pour le reste de la communauté scientifique.

En résumé

L'expérience SHiP est un changement de stratégie. Au lieu d'essayer de fracasser les choses plus fort pour trouver de la nouvelle physique lourde, elle essaie d'examiner un volume massif de données pour trouver les particules légères et timides qui se cachent à la vue de tous. Elle combine un « bouclier de déflexion de muons », un « tunnel silencieux » et des « caméras ultra-sensibles » pour écouter les chuchotements ténus des secrets cachés de l'univers.

Résumé technique

Résumé technique de l'article sur l'expérience SHiP/NA67

Problématique et motivation
Le Modèle Standard (SM) reste cohérent avec les données actuelles mais ne parvient pas à expliquer plusieurs observations établies, notamment l'origine et la petitesse des masses des neutrinos, l'asymétrie baryonique de l'Univers et la nature de la matière noire. Ces lacunes suggèrent l'existence d'une physique au-delà du Modèle Standard (BSM). Alors que les installations de la frontière des hautes énergies (par exemple, HL-LHC, FCC) recherchent des nouveaux états lourds, de nombreux candidats potentiels de la BSM pourraient être trop faiblement couplés pour être produits directement par les machines existantes. Ces « particules à interaction faible » (FIPs), telles que les leptons neutres lourds (HNL), les photons sombres, les scalaires sombres, les particules de type axion (ALPs) et la matière noire légère, interagissent avec le SM avec des intensités trop faibles pour une détection traditionnelle, mais possèdent des masses dans la gamme de l'ordre de O(100 MeV) à quelques GeV. L'article soutient que les recherches à haute intensité, où les taux de production élevés compensent les faibles intensités de couplage, constituent la stratégie nécessaire pour explorer cet espace de paramètres.

Méthodologie et concept expérimental
L'expérience SHiP/NA67 est conçue comme une expérience de collision de faisceau (beam dump) polyvalente et à haute intensité, située dans la salle ECN3 du Super-Proton-Synchrotron (SPS) du CERN, utilisant le nouveau Beam Dump Facility (BDF). La méthodologie repose sur trois composantes centrales pour détecter les FIPs :

1. Production à haute intensité : Un faisceau de protons de 400 GeV/c est dirigé sur une cible de tungstène pour maximiser la production d'hadrons de saveur lourde (charme et beauté), qui servent de sources pour les FIPs. L'expérience vise à accumuler $6 \times 10^{20}$ protons sur cible (PoT) sur environ 15 ans.
2. Suppression du bruit de fond : Le principal défi est l'intense flux de muons et de neutrinos émergeant du dump. Pour atteindre des conditions de « bruit de fond nul », l'expérience utilise un bouclier de muons actif magnétisé pour dévier les muons résiduels d'un facteur de six ordres de grandeur.
3. Décomposition et détection : Un volume de désintégration long et instrumenté permet aux FIPs de se désintégrer en particules visibles du SM. L'expérience utilise un système de détecteurs multicouches pour reconstruire ces désintégrations rares tout en supprimant les bruits de fond à des niveaux négligeables.

Sous-systèmes de détection
L'installation expérimentale comprend plusieurs sous-systèmes spécialisés :

• Cible et bouclier de muons : Une cible de tungstène avec refroidissement actif et un absorbeur d'hadrons magnétisé. Un bouclier de muons magnétique actif réduit le flux de muons de six ordres de grandeur.
• Détecteur de diffusion et de neutrinos (SND@SHiP) : Situé en aval de la cible, ce système utilise une cible silicium-tungstène et un calorimètre de traçage magnétisé fer-scintillateur. Il est conçu pour identifier les interactions de neutrinos de toutes les saveurs, ciblant spécifiquement $\mathcal{O}(10^4)$ interactions de $\nu_\tau$ par an. Il vise à mesurer les fonctions de structure $F_4$ et $F_5$ (accessibles uniquement via les neutrinos tau) et à étudier les fonctions de distribution de partons à bas $x$, ainsi qu'à mesurer le contenu en quarks étranges du nucléon. Il permet également la détection de la diffusion de la matière noire légère sur les électrons.
• Marqueurs de bruit de fond (Background Taggers) : Pour garantir un environnement sans bruit de fond, l'expérience utilise un marqueur de bruit de fond amont (UBT) avec des traçeurs à paille et des tuiles scintillatrices, ainsi qu'un marqueur de bruit de fond périphérique (SBT). Le SBT entoure le volume de désintégration rempli d'hélium avec environ 780 cellules contenant ~145 000 L de scintillateur liquide, lus par des modules optiques de décalage de longueur d'onde. Ce système atteint une efficacité >99 % et une résolution temporelle sub-1 ns pour marquer les muons résiduels et les interactions de neutrinos dans les parois du récipient.
• Spectromètre de désintégration du secteur caché : Ce système reconstruit les produits de désintégration visibles au sein du volume de désintégration évacué ou rempli d'hélium. Il comprend :
  • Un traçeur à paille de spectromètre (quatre stations) couplé à un grand aimant dipolaire (0,6–0,8 T m), offrant une résolution spatiale de 120 $\mu$m.
  • Un détecteur de temps utilisant des barres de scintillateur avec une résolution $\le$ 50 ps pour supprimer le bruit de fond combinatoire.
  • Un système de calorimétrie (concept SplitCal) avec des sections électromagnétiques et hadroniques, incluant des couches de haute précision dédiées pour mesurer les directions des gerbes électromagnétiques et identifier les états finaux neutres (par exemple, $X \to \gamma\gamma$).

Contributions clés et résultats attendus
L'article expose la sensibilité attendue de SHiP sur une large gamme de modèles de FIP.

• Sensibilité des FIP : Pour des masses dans la gamme de l'ordre de O(100 MeV) à quelques GeV, SHiP est projeté pour fournir une sensibilité de premier plan mondiale ou record aux couplages bien au-delà de la portée des expériences existantes et proposées. Il cible les HNL, les photons sombres, les scalaires sombres, les ALPs, la matière noire légère élastique et inélastique, ainsi que les particules à charge millième.
• Physique des neutrinos : L'expérience produira un flux intense de neutrinos, notamment $\mathcal{O}(10^3)$ $\nu_\tau$ par an. Cela permettra la première détermination des fonctions de structure $F_4$ et $F_5$ et fournira des échantillons à haute statistique pour l'étude des interactions de neutrinos pour toutes les saveurs.
• Calendrier : La collaboration est actuellement en phase de Rapport de Conception Technique (TDR), avec des résultats attendus d'ici deux ans. Le BDF est en cours de construction, avec une mise en service du faisceau prévue pour 2033. L'article note que les données collectées avant la fermeture longue suivante permettront déjà à SHiP d'établir des limites de premier plan mondial sur une grande partie de son espace de paramètres.

Signification
L'article affirme que la frontière des hautes énergies n'a jusqu'à présent révélé aucune nouvelle physique au-delà du SM, ce qui motive fortement une exploration complémentaire de la frontière des hautes intensités. SHiP/NA67 est présenté comme une installation dotée d'une sensibilité de premier plan mondial pour explorer directement la frontière des particules à interaction faible et étudier les interactions de neutrinos de toutes les saveurs. En opérant dans un régime essentiellement exempt de bruit de fond, l'expérience vise à résoudre des questions fondamentales concernant les masses des neutrinos, la matière noire et l'asymétrie baryonique qui ont échappé à la détection par les méthodes précédentes. L'expérience est approuvée pour 2024 et doit commencer la prise de données en 2033 au SPS du CERN.