Depuis la découverte des oscillations des neutrinos, les physiciens savent que les neutrinos ont une masse non nulle. Cependant, l’échelle absolue de la masse des neutrinos reste inconnue. Aujourd’hui, les physiciens de l’expérience Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN) en Allemagne rapportent la limite supérieure de la masse effective des antineutrinos électroniques – moins de 0,8eV à un niveau de confiance de 90%.
Illustration de la ligne de faisceau KATRIN de 70 m de long : le transport des électrons β et la collimation magnétique adiabatique de leurs moments p sont illustrés ; (a-f) la vue dans la source de tritium illustre trois effets systématiques : (a-f) la vue dans la source de tritium illustre trois effets systématiques : excitations moléculaires pendant la désintégration β (a), diffusion d’électrons à partir des molécules de gaz (b) et distribution spatiale du potentiel électrique dans la source Usrc(r, z) (c) ; la vue dans le spectromètre illustre les principaux processus de fond provenant de la désintégration du radon à l’intérieur du volume du spectromètre (d), des atomes de Rydberg hautement excités pulvérisés à partir du matériau structurel via la désintégration α de 210Po (e) et des ions positifs créés dans un piège de Penning entre les deux spectromètres (f) ; les électrons de faible énergie, créés dans le volume à la suite de la désintégration du radon ou de l’ionisation des atomes de Rydberg, peuvent être accélérés par qUana vers le détecteur à plan focal, ce qui les rend indiscernables des électrons de signal. Crédit image : Collaboration KATRIN, doi : 10.1038/s41567-021-01463-1.
“Les masses des neutrinos sont inférieures d’au moins cinq ordres de grandeur à la masse de tout autre fermion du modèle standard de la physique des particules, ce qui pourrait indiquer un mécanisme de création de masse sous-jacent différent”, ont déclaré le Dr Guido Drexlin, chef du projet KATRIN, et ses collègues.
“La détermination de la masse des neutrinos permettrait ainsi de faire la lumière sur la question fondamentale ouverte de l’origine des masses des particules.”
“Malgré la petitesse de leurs masses, les neutrinos jouent un rôle crucial dans l’évolution des structures à grande échelle de notre cosmos en raison de leur grande abondance dans l’Univers”, ont-ils ajouté.
“Une mesure directe de la masse des neutrinos pourrait, par conséquent, fournir une entrée clé aux modèles de formation des structures cosmologiques”.
Les physiciens ont cherché à mesurer directement la masse des neutrinos depuis qu’ils ont observé les antineutrinos électroniques en 1956.
Une méthode directe pour sonder l’échelle de masse des neutrinos en laboratoire est fournie par les études cinématiques des processus d’interaction faible tels que la désintégration bêta du tritium (3H), un isotope rare et radioactif de l’hydrogène.
KATRIN est aujourd’hui l’expérience la plus précise de ce type. Elle combine une source de tritium moléculaire gazeux sans fenêtre, mise au point par l’expérience de Los Alamos, avec un spectromètre basé sur le principe de la collimation magnétique adiabatique avec filtrage électrostatique.
Ces techniques permettent d’étudier la région du point final de la désintégration du tritium avec une résolution énergétique très élevée, de grandes statistiques et de petites systématiques.
KATRIN a été conçu et construit pour affiner cette méthode cinématique directe à son niveau de précision ultime.
“KATRIN est une expérience aux exigences technologiques les plus élevées et fonctionne maintenant comme une horloge parfaite”, a déclaré le Dr Drexlin.
“L’augmentation du taux de signal et la réduction du taux de bruit de fond ont été décisives pour ce nouveau résultat”, a déclaré le Dr Christian Weinheimer de l’Université de Münster, co-porte-parole de la collaboration KATRIN.
Lors de la deuxième campagne de mesure de la masse des neutrinos, l’expérience KATRIN a atteint une sensibilité inférieure à un électronvolt (0,7 eV).
“La communauté de la physique des particules est enthousiaste à l’idée que la barrière de 1 eV ait été franchie par KATRIN”, a déclaré le professeur John Wilkerson, expert en neutrinos à l’Université de Caroline du Nord.
Combiné avec le premierl’équipe KATRIN a fixé une limite supérieure améliorée de 0,8 eV.
“Nous avons donc réduit la gamme autorisée des modèles de masse de neutrinos quasi-dégénérés “, ont déclaré les physiciens.
“Et nous avons fourni des informations indépendantes du modèle sur la masse du neutrino, ce qui permet de tester des modèles cosmologiques non standard.”
Les résultats sont publiés dans la revue Nature Physics.
