Probing the nucleon axial form factor via the $\vec{e}^{\,+} + {}^2\text{H} \rightarrow \bar{\nu}_e + p + p$ reaction below the pion-production threshold

Les neutrinos sont des particules fantomatiques qui traversent l'univers, s'arrêtant rarement pour interagir avec quoi que ce soit. Lorsqu'ils entrent en collision avec la matière, ils le font souvent en échangeant une charge, un processus connu sous le nom d'interaction à courant chargé. Pour comprendre ces collisions, les scientifiques s'appuient sur une carte mathématique appelée facteur de forme axial. Cette carte décrit comment la structure interne d'un proton ou d'un neutron change lorsqu'il est frappé par un neutrino. Bien que les scientifiques connaissent la valeur de cette carte en un point spécifique et précis, la forme de la carte à basse énergie reste une région floue et incertaine. Cette incertitude est un problème majeur pour des expériences massives comme DUNE, qui visent à étudier comment les neutrinos changent d'identité en voyageant sur de longues distances. Si la carte est fausse, la capacité de l'expérience entière à mesurer les propriétés fondamentales de l'univers est compromise.

Pendant des décennies, les scientifiques ont tenté de préciser cette région floue en utilisant des faisceaux de neutrinos, mais les résultats ont été incohérents et difficiles à interpréter. Une nouvelle étude théorique suggère une voie différente, qui renverse le problème. Au lieu de tirer des neutrinos sur une cible, les chercheurs proposent d'utiliser un faisceau de positrons — les jumeaux antimatière des électrons — capturés par un noyau simple de deutérium. Le deutérium est une version lourde de l'hydrogène, composée d'un seul proton et d'un seul neutron liés ensemble. Lorsqu'un positron polarisé frappe ce noyau, il se transforme en antineutrino et sépare les deux protons. En mesurant soigneusement l'énergie et les angles de ces protons volants, les scientifiques peuvent reconstruire les détails de l'interaction avec une clarté que les expériences de neutrinos ne peuvent atteindre.

Les chercheurs, dirigés par une équipe de l'Université Jagellonne en Pologne, ont construit un modèle informatique sophistiqué pour simuler ce processus. Ils ont utilisé un cadre qui respecte les lois de la relativité, garantissant que leurs calculs restent valables même à des vitesses élevées. Avant d'appliquer leur modèle au scénario du positron, ils l'ont testé par rapport aux données réelles d'expériences de diffusion d'électrons. Le modèle s'est révélé hautement précis, reproduisant avec succès les motifs complexes de la façon dont les électrons rebondissent sur les noyaux de deutérium. Cette validation a donné confiance à l'équipe pour prédire ce qui se passerait lorsque des positrons, plutôt que des électrons, seraient utilisés comme sonde.

Leurs calculs se sont concentrés sur une plage d'énergie spécifique, en dessous du seuil où la collision créerait des pions, des particules instables qui encombreraient les données. Ils ont découvert qu'à une énergie de positron de 130 millions d'électron volts, la réaction produit un signal propre. L'équipe a ensuite simulé comment les résultats changeraient si la carte sous-jacente de la structure du proton était légèrement différente. Ils ont découvert que la réaction est incroyablement sensible à ces changements. Dans la région où les incertitudes des expériences de neutrinos actuelles sont aussi élevées que 100 %, cette nouvelle méthode pourrait réduire la marge d'erreur à seulement quelques pour cent. La sensibilité est si élevée que même de petites variations dans la carte théorique causeraient des décalages notables dans le nombre de protons détectés et les angles sous lesquels ils volent.

L'étude a également abordé les réalités pratiques de la construction d'une telle expérience. Les chercheurs ont calculé comment la détection des deux protons serait affectée par les limites des détecteurs du monde réel. Si un détecteur ne peut pas voir les protons se déplaçant très lentement, il manquerait une partie significative des événements, car les deux protons sont toujours produits par paires. Si l'un est trop lent pour être vu, l'autre est également perdu du jeu de données. Cependant, l'équipe a montré qu'avec un détecteur capable de voir des protons ayant des énergies aussi basses que 10 millions d'électron volts et couvrant une large gamme d'angles, l'expérience resterait robuste. Ils ont conclu que la prochaine mise à niveau du faisceau de positrons au Jefferson Lab en Virginie fournirait l'environnement parfait pour réaliser cette mesure.

Ce travail ne prétend pas avoir résolu le mystère du facteur de forme axial, mais il offre une voie claire et viable pour le faire. En simulant la réaction avec une haute précision, les auteurs ont démontré qu'une expérience de capture de positron pourrait fournir les données définitives nécessaires pour affiner notre compréhension de la structure du proton. Cela permettrait non seulement de résoudre les incohérences de longue date en physique des neutrinos, mais aussi de fournir un point de référence crucial pour tester les prédictions de la chromodynamique quantique sur réseau, une méthode utilisée pour calculer les propriétés de la matière à partir de principes fondamentaux. L'article suggère que les outils pour faire ce bond sont déjà à portée de main, attendant simplement que les conditions expérimentales appropriées soient réunies.