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La masse des neutrinos sera étudiée grâce au rayonnement cyclotron

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La détermination précise de la masse des neutrinos est l'un des grands enjeux de la physique des hautes énergies. Elle ouvrirait peut-être une fenêtre sur une nouvelle physique et permettrait aussi de progresser en cosmologie. Une des techniques prometteuses pour y parvenir fait usage du rayonnement cyclotron d'un seul électron. Celui-ci vient d'être mesuré pour la première fois dans le cadre de l'expérience Project 8.

Lors de l'expérience Project 8, les chercheurs ont réussi à mesurer le spectre du rayonnement cyclotron d’un seul électron en utilisant un isotope du krypton sous forme de gaz. © project8.org

La physique des hautes énergies combine la théorie de la force électrofaible avec la QCD qui décrit les quarks, les leptons et leurs interactions non gravitationnelles. Son modèle standard n'exige pas l'existence de masses pour les neutrinos. Il autorise cependant leur ajout de façon ad hoc. La découverte des oscillations des trois types de neutrinos, qui se convertissent sans cesse les uns dans les autres, a en effet rendu nécessaire l'introduction de ces masses. Le mécanisme exact de ces oscillations, que l'on peut étudier par exemple avec l'expérience T2K, et les valeurs exactes de ces masses n'ont pas encore reçu d'explications bien qu'il en existe de potentielles dans des théories faisant usage d'une nouvelle physique. Les plus intéressantes à cet égard sont celles des Théories de Grande Unification (GUT pour Grand Unified Theory, en anglais). Celles-ci font parfois usage des neutrinos de Majorana.

Mesurer exactement la valeur de ces masses pourrait donc nous permettre d'explorer un nouveau territoire de la physique des hautes énergies inaccessible en principe aux expériences menées avec le LHC. Malheureusement, les expériences d'oscillations ne permettent que de poser des contraintes sur des différences des carrés de ces masses. On peut, certes, obtenir d'autres contraintes portant cette fois-ci sur la somme des masses via des observations en cosmologie comme celles du rayonnement fossile avec Planck mais pour obtenir une mesure individuelle, il s'agit d'une autre histoire. Le défi sera relevé grâce à l'expérience Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment (Katrin).

Oliver Heaviside (1850 - 1925) était un physicien, un ingénieur et aussi un mathématicien britannique autodidacte dont les travaux ont eu d’importantes répercussions dans le domaine de la théorie électromagnétique. On lui doit en particulier la forme condensée et simplifiée des équations de Maxwell, toujours enseignée, qu’il a formulé à l’aide du calcul vectoriel alors naissant à la fin du XIXe siècle. C’est aussi à lui que l’on doit l’utilisation des nombres complexes pour étudier les circuits électriques. Sa méthode pour résoudre des équations différentielles ordinaires, peu orthodoxes pour les mathématiciens de l’époque, n’a été bien comprise que dans le cadre de la théorie des distributions du mathématicien français Laurent Schwartz. © DP, Wikipédia

Des électrons émis par désintégration bêta

Le principe de cette mesure est simple : il faut estimer avec précision l'énergie d'un électron émis par la désintégration bêta d'un noyau de tritium. L'énergie de cette désintégration se retrouvant sous la forme de celles de l'électron et de l'antineutrino électronique associé (dont la masse doit être identique à celle de son antiparticule en raison du théorème CPT), il est donc possible d'en déduire l'énergie de masse du neutrino électronique. On sait pour le moment qu'elle doit être inférieure à quelques électronvolts (eV). Katrin devrait pouvoir mesurer des valeurs aussi petites que 0,2 eV mais, pour descendre en dessous, il faudrait construire une expérience plus volumineuse, ce qui n'est pas sans poser d'importants problèmes. Pour cette raison, une équipe internationale de chercheurs allemands et états-uniens s'est tournée vers une autre stratégie dans le cadre de ce qui a été appelé Project 8.

Il s'agit encore de mesurer l'énergie totale d'un électron émis par un noyau subissant une désintégration bêta. En l'occurrence, c'est un isotope du krypton qui est utilisé. Il se trouve sous la forme d'un gaz de krypton 83 à basse pression dans un réservoir de la taille d'une tasse à café, lequel est plongé dans un champ magnétique de 1 tesla. Un électron émis par la désintégration d'un de ces noyaux va alors être contraint de se déplacer de façon circulaire et il émettra donc un rayonnement dit cyclotron lorsqu'il ne sera pas en régime dit ultra-relativiste, c'est-à-dire lorsque sa vitesse sera inférieure à environ 10 % de la vitesse de la lumière (au-delà, on parle plutôt de rayonnement synchrotron).

Au cours de l'expérience Project 8, un aimant supraconducteur (superconducting magnet, en anglais sur le schéma) produit un champ magnétique (magnetic field) dans lequel est plongé un gaz de krypton radioactif. Le rayonnement cyclotron émis par les électrons, eux-mêmes émis par les noyaux de krypton, est canalisé dans un guide d'ondes (waveguide) en direction d'un étage de préamplification qui va permettre d'analyser le signal émis. © Alan Stonebraker, APS

Un rayonnement observé initialement dans les cyclotrons

La première description théorique de ce rayonnement est généralement attribuée à Oliver Heaviside, en 1904 mais, en réalité, la question du rayonnement de particules chargées accélérées a aussi fait l'objet, presque à la même époque, des travaux de Joseph Larmor et Alfred-Marie Liénard en 1898 et d'Emil Wiechert en 1900. Le rayonnement cyclotron se manifeste en particulier lorsque l'on accélère des électrons sur des orbites circulaires, comme ce fut le cas avec les premiers cyclotrons. C'est d'ailleurs de là que vient son nom.

Dans le cadre du Project 8, les physiciens sont parvenus à mesurer pour la première fois le spectre d'un rayonnement d'un unique électron, comme ils l'expliquent dans un article déposé sur arXiv. Celui-ci est centré autour d'une fréquence d'environ 25 gigahertz (GHz) et il a été obtenu à l'aide d'un amplificateur dans le domaine des micro-ondes. La précision de la mesure ne permet pas encore de concurrencer Katrin ni de poser de nouvelles contraintes sur les masses des neutrinos. Cette mesure devrait pourtant s'améliorer et ne souffrira pas des mêmes problèmes. On pense en effet savoir que ces masses ne peuvent être inférieures à 0,01-0,05 eV, ce qui les place dans un domaine que pourront explorer les chercheurs avec Project 8.

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