En utilisant des données provenant de la structure à grande échelle des galaxies, du fond diffus cosmologique (CMB), des supernovae de type Ia et de la nucléosynthèse du Big Bang, une équipe de physiciens a calculé la masse maximale possible de l’espèce de neutrino la plus légère.
La première observation mondiale de neutrino dans une chambre à bulles d’hydrogène. Il a été découvert le 13 novembre 1970 sur cette photographie prise dans la chambre à bulles de 12 pieds du Synchrotron à gradient zéro. Le neutrino invisible frappe un proton d’où partent trois traces de particules (en bas à droite). Le neutrino se transforme en un méson mu, la longue piste centrale (qui s’étend vers le haut et la gauche). La piste courte est le proton. La troisième piste (qui s’étend vers le bas et la gauche) est un méson-pi créé par la collision. Crédit image : Argonne National Laboratory.
Les physiciens savent qu’il existe trois types de neutrinos : les neutrinos électroniques, muoniques et tau. Mais il existe également trois masses différentes de neutrinos.
Chaque neutrino d’une saveur spécifique est en fait une combinaison de neutrinos de masses différentes.
“Une centaine de milliards de neutrinos traversent votre pouce en provenance du Soleil chaque seconde, même la nuit”, a déclaré le Dr Arthur Loureiro, chercheur au département de physique et d’astronomie de l’University College London.
“Ce sont des fantômes très faiblement interactifs dont nous savons peu de choses. Ce que nous savons, c’est qu’en se déplaçant, ils peuvent changer entre leurs trois saveurs, et cela ne peut se produire que si au moins deux de leurs masses sont non nulles.”
“Les trois saveurs peuvent être comparées à une crème glacée dont une boule contient de la fraise, du chocolat et de la vanille. Ils sont toujours présents mais dans des proportions différentes, et le changement de proportion – et le comportement bizarre de la particule – ne peut s’expliquer que par le fait que les neutrinos ont une masse.”
Le Dr Loureiro et ses collègues ont utilisé une approche innovante pour calculer la masse des neutrinos en utilisant les données recueillies à la fois par les cosmologistes et les physiciens des particules.
Ils ont notamment utilisé les données de 1,1 million de galaxies provenant de l’enquête spectroscopique sur l’oscillation des baryons (BOSS) pour mesurer le taux d’expansion de l’Univers, ainsi que les contraintes des expériences sur les accélérateurs de particules.
“Nous avons utilisé des informations provenant de diverses sources, notamment des télescopes spatiaux et terrestres qui observent la première lumière de l’Univers (le rayonnement CMB), des étoiles en explosion, la plus grande carte en 3D des galaxies de l’Univers, des accélérateurs de particules, des réacteurs nucléaires, etc.
“Comme les neutrinos sont abondants mais minuscules et insaisissables, nous avions besoin de toutes les connaissances disponibles pour calculer leur masse et notre méthode pourrait être appliquée à d’autres grandes questions qui intriguent les cosmologistes et les physiciens des particules.”
Les physiciens ont utilisé ces informations pour préparer un cadre dans lequel modéliser mathématiquement la masse des neutrinos et ont utilisé un superordinateur pour calculer la masse maximale possible du neutrino le plus léger, soit 0,086 eV, ce qui équivaut à 1,5*10-37 kg.
Ils ont calculé que trois saveurs de neutrinos ensemble ont une limite supérieure de 0,26 eV.
” Nous avons utilisé plus d’un demi-million d’heures de calcul pour traiter les données ; cela équivaut à près de 60 ans sur un seul processeur. Ce projet a repoussé les limites de l’analyse des grandes données en cosmologie”, a déclaré Andrei Cuceu, doctorant à l’University College de Londres.
Les résultats ont été publiés dans la revue Physical Review Letters.
