Les neutrinos sont plus légers que 0,8 électronvolt.
Nouveau record mondial : L’expérience KATRIN limite la masse des neutrinos avec une précision sans précédent.
Les neutrinos sont sans doute la particule élémentaire la plus fascinante de notre univers. En cosmologie, ils jouent un rôle important dans la formation des structures à grande échelle, tandis qu’en physique des particules, leur masse minuscule mais non nulle les distingue, indiquant de nouveaux phénomènes physiques au-delà de nos théories actuelles. Sans une mesure de l’échelle de masse des neutrinos, notre compréhension de l’univers restera incomplète.
Les scientifiques appellent souvent le neutrino la “particule fantôme” car il n’interagit presque jamais avec d’autres matières.
C’est le défi que la communauté internationale doit relever. KArlsruhe TRItium Neutrino (KATRIN), menée à l’Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) avec des partenaires de six pays, est devenue l’échelle la plus sensible au monde pour les neutrinos. Elle utilise la désintégration bêta du tritium, un isotope instable de l’hydrogène, pour déterminer la masse du neutrino via la distribution d’énergie des électrons libérés dans le processus de désintégration. Cela nécessite un effort technologique majeur : l’expérience de 70 mètres de long abrite la source de tritium la plus intense au monde ainsi qu’un spectromètre géant permettant de mesurer l’énergie des électrons de désintégration avec une précision sans précédent.
Montage des électrodes dans le spectromètre principal de l’expérience KATRIN. Crédit : Joachim Wolf/KIT
La haute qualité des données après le démarrage des mesures scientifiques en 2019 a été continuellement améliorée au cours des deux dernières années. “KATRIN est une expérience aux exigences technologiques les plus élevées et fonctionne désormais comme une horloge parfaite”, s’enthousiasme Guido Drexlin (KIT), chef de projet et l’un des deux co-porteurs de l’expérience. Christian Weinheimer (University of Münster), the other co-spokesperson, adds that “the increase of the signal rate and the reduction of background rate were decisive for the new result.”
Data analysis
The in-depth analysis of this data was demanding everything from the international analysis team led by its two coordinators, Susanne Mertens (Max Planck Institute for Physics and TU Munich) and Magnus Schlösser (KIT). Each and every effect, no matter how small, had to be investigated in detail. “Only by this laborious and intricate method we were able to exclude a systematic bias of our result due to distorting processes. We are particularly proud of our analysis team which successfully took up this huge challenge with great commitment,” the two analysis coordinators are pleased to report.
The 70 meter long KATRIN experiment with its main components tritium source, main spectrometer and detector. Credit: Leonard Köllenberger/KATRIN Collaboration
The experimental data from the first year of measurements and the modeling based on a vanishingly small neutrino mass match perfectly: from this, a new upper limit on the neutrino mass of 0.8 eV can be determined (Nature Physics, July 2021). This is the first time that a direct neutrino mass experiment has entered the cosmologically and particle-physically important sub-eV mass range, where the fundamental mass scale of neutrinos is suspected to be. “The particle physics community is excited that the 1-eV-barrier has been broken by KATRIN,” comments neutrino expert John Wilkerson (University of North Carolina, Chair of the Executive Board).
Susanne Mertens explains the path to the new record: “Our team at the MPP in Munich has developed a new analysis method for KATRIN that is specially optimized for the requirements of this high-precision measurement. This strategy has been successfully used for past and current results. My group is highly motivated: We will continue to meet the future challenges of KATRIN analysis with new creative ideas and meticulous accuracy.”
Des mesures supplémentaires devraient améliorer la sensibilité
Les co-porteurs et coordinateurs d’analyse de KATRIN sont très optimistes quant à l’avenir : “Les mesures supplémentaires de la masse des neutrinos se poursuivront jusqu’à la fin de 2024. Pour réaliser le plein potentiel de cette expérience unique, nous ne nous contenterons pas d’augmenter régulièrement les statistiques des événements de signal, nous développons et installons en permanence des améliorations pour réduire encore le taux de bruit de fond.”
Le développement d’un nouveau système de détection (TRISTAN) joue un rôle spécifique à cet égard, permettant à KATRIN, à partir de 2025, de se lancer dans la recherche de neutrinos “stériles” ayant une masse de l’ordre du kiloélectronvolt, un candidat pour la mystérieuse matière noire du cosmos qui s’est déjà manifestée dans de nombreuses observations astrophysiques et cosmologiques, mais dont la nature physique des particules est encore inconnue.
Référence : ” Mesure directe de la masse des neutrinos avec une sensibilité sub-eV ” 14 février 2022, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-021-01463-1
