Une vue de l'expérience Katrin. © KIT, Karlsruher Institut für Technologie

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Nouvelle physique : la masse des neutrinos est mieux déterminée avec Katrin

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Les neutrinos influent sur le monde des galaxies par leurs masses dont on ignore les valeurs exactes. Tout ce que l'on sait, c'est qu'elles relèvent d'une nouvelle physique. L'expérience Katrin en Allemagne vient de livrer ses premiers résultats concernant une nouvelle borne pour la masse des neutrinos électroniques.

Si tout espoir de découvrir de la nouvelle physique au LHC n'est pas encore perdu, tant la machine garde en elle de possibilités pour faire cette découverte, notamment parce qu'une version améliorée à plus haute luminosité est prévue, on doit bien avouer que la déception a été grande à cet égard. Par contre, c'est un succès spectaculaire en ce qui concerne la confirmation du Modèle standard de la physique des particules et la connaissance plus précise des valeurs des paramètres qu'il contient. Il y a eu le succès, le plus important, qui a consisté à montrer que le boson de Brout-Englert-Higgs existait bel et bien, suivi des mesures de quelques-uns des paramètres de Yukawa connectant la physique de ce boson à celle des masses de quelques quarks et leptons.

Toutefois, il y a des masses dans le Modèle standard qui sont particulièrement mystérieuses, celles associées aux neutrinos et qui interviennent dans les processus d'oscillation convertissant sans cesse les saveurs de neutrinos les unes dans les autres. Ce phénomène n'est pas une conséquence des principes qui ont permis la construction du Modèle standard (si l'on excepte le fait qu'il est déduit des propriétés quantiques possibles des particules). Il doit donc tenir son existence d'une physique nouvelle, au-delà de ce Modèle.

Une présentation de l'expérience Katrin. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © KIT, Karlsruher Institut für Technologie

Déterminer les masses des neutrinos permettrait donc d'avoir du grain à moudre pour déterminer quelles théories, parmi les nombreuses avancées, prolongent la physique du Modèle standard. On a des renseignements indirects sur les masses des neutrinos en étudiant le rayonnement fossile et les distributions de galaxies. Ces masses sont nécessairement très faibles selon ces estimations indirectes. Mais justement, tout le problème est là, des hypothèses incorrectes ou des biais non pris en compte dans l'analyse et la modélisation des phénomènes cosmologiques pourraient fausser ces estimations.

Des antineutrinos produits par la désintégration du tritium

Heureusement, comme l'expliquait Futura dans le précédent article ci-dessous, il existe des moyens directs et bien terrestres de poser des contraintes sur les masses des neutrinos, plus précisément sur celle des antineutrinos électroniques qui sont émis lors de la désintégration bêta de noyaux de tritium (T). Un projet d'envergure à ce sujet a été lancé il y a 20 ans : l'expérience Katrin (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment) à Karlsruhe en Allemagne. Elle est le fruit de la collaboration de 150 chercheurs et ingénieurs de 20 institutions issues de 7 pays, parmi lesquels se trouve la France et en particulier le CEA (Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives).

Ce n'est finalement qu'au printemps 2019 que les premières prises de données avec l'instrument géant de 70 mètres de long ont été réalisées. Un gaz de molécules de tritium (T2) a circulé pendant quatre semaines dans celui-ci alors que la désintégration de ces molécules engendrait un flux de 25 milliards d'électrons par seconde. C'est l'étude des énergies de ces électrons distribuées selon une courbe bien précise, décrivant un spectre en énergie, comme disent les physiciens dans leur jargon, qui permet de poser des contraintes sur les masses des antineutrinos électroniques.

En l'occurrence, 2 millions d'électrons ont été détectés permettant d'en déduire que la masse des neutrinos électroniques, qui doit être la même que celle des antineutrinos électroniques si la physique des neutrinos respecte bien la symétrie CPT, est inférieure à 1,1 électron-volt, c'est-à-dire qu'elle ne peut dépasser une masse de l'ordre du milliardième de celle d'un proton.

Ce résultat n'est qu'un début, améliorant d'un facteur 2 les mesures directes faites avec d'autres expériences depuis des décennies (plus précisément l'erreur statistique est réduite d'un facteur 2 et l'erreur systématique d'un facteur 6). On pense en effet pouvoir descendre à des masses de l'ordre de 0,2 électron-volt durant les cinq prochaines années.

  • Les masses des neutrinos, liées au phénomène d'oscillation, ne sont pas prédites par le Modèle standard de la physique des particules.
  • Ces masses relèvent donc d'une nouvelle physique. La connaissance de leurs valeurs pourrait indiquer le chemin pour révéler cette nouvelle physique.
  • L'expérience Katrin en Allemagne est dédiée à la mesure de la masse des antineutrinos électroniques, qui doit être la même que celle des neutrinos électroniques, en étudiant les électrons produits par la désintégration bêta des noyaux de tritium.
  • Les premiers résultats obtenus, en 2019, indiquent une masse pour ces neutrinos qui ne peut être supérieure à environ un milliardième de la masse du proton.
Pour en savoir plus

Saura-t-on enfin mesurer la masse des neutrinos avec des atomes froids ?

Article de Laurent Sacco publié le 29/01/2009

La détermination précise de la masse des neutrinos est un des grands enjeux de la physique théorique et pourrait nous mener au-delà du Modèle standard. Mais elle particulièrement difficile à réaliser. Un groupe de chercheurs américains vient de proposer une nouvelle méthode pour y parvenir : utiliser des atomes de tritium froids.

Particules fantomatiques, les neutrinos nous traversent en très grand nombre à chaque minute. Interagissant très faiblement avec la matière à basse énergie, elles ne font pas sentir leur présence. Les neutrinos sont pourtant plusieurs milliards de fois plus nombreux dans le cosmos que les protons et les neutrons de l'Univers observable, dont le nombre est estimé à 1080 environ.

Pendant longtemps, conformément aux équations du Modèle standard, on leur attribuait une masse nulle mais l’énigme des neutrinos solaires pouvait trouver une solution simple si on leur attribuait non seulement des masses mais aussi la faculté de se transformer les uns dans les autres. En effet, il existe trois types de neutrinos, qui sont associés aux processus de désintégration faible faisant intervenir des électrons, des muons et des tauons.

La question s'est brutalement révélée brûlante quand Zeldovitch et d'autres firent remarquer que même des neutrinos avec une très faible masse pouvaient suffire à donner à l'Univers une densité critique telle qu'il soit fermé. Cela pouvait même permettre d'expliquer la mystérieuse matière noire.

On sait aujourd'hui que les neutrinos oscillent bien entre les trois types différents et possèdent donc des masses. Mais on sait aussi que les modèles de matière noire dite chaude, avec uniquement des neutrinos, ne suffisent pas à rendre de compte de la formation des galaxies. De toute façon, ils sont bien trop légers pour donner à l'Univers la fameuse densité critique capable de clore l'espace.

Figure 1. La désintégration bêta du tritium en hélium 3. Crédit : Université de Karlsruhe

Malgré tout, la détermination précise de la masse des neutrinos est un enjeu important car si le Modèle standard des interactions électrofaibles tolère l'introduction de masses, il ne peut en donner aucune justification. Ces interactions doivent être expliquées par d'autres théories, comme la supersymétrie ou celle des GUT.

Malheureusement, la détermination précise de ces masses reste un problème difficile même si des bornes ont pu être posées grâce aux observations de WMap par exemple.

En 2012, une expérience importante devrait débuter en Allemagne, son nom est Katrin pour KArlsruhe TRItium Neutrino. Elle consistera à étudier le spectre en énergie des électrons issus de la désintégration bêta des atomes de tritium (voir la figure 1). Contenant 2 neutrons, il donneront lieu à la formation d'atomes d'hélium 3 et à l'émission d'un neutrino dit électronique car associé spécifiquement à l'électron. On parlerait de neutrinos muoniques pour le muon et tauonique pour le tauon.

En attendant le tritium ultra-froid...

Or, la forme terminale du spectre en énergie des électrons dépend de la masse des neutrinos émis (voir la figure 2). Si on mesure soigneusement ce spectre sur un très grand nombre de désintégrations de noyaux de tritium, il devient possible de mesurer la masse d'un neutrino électronique. On sait qu'elle doit être inférieure à 2,2 eV mais avec Katrin, on devrait pouvoir savoir si elle est inférieure à 0,2 eV.

La forme terminale du spectre des électrons de la désintégration bêta d'un neutron renseigne sur la masse du neutrino électronique. En bleu, la courbe pour un neutrino sans masse et en rouge celle pour une masse au repos de 1 eV. Crédit : Université de Karlsruhe

L'expérience reste délicate, et surtout, elle nécessite un dispositif imposant. Aujourd'hui  Mark Raizen de l'université d'Austin au Texas propose avec ses collègues une alternative plus économique.

Il suffirait de disposer d'atomes de tritium ultra-froids et de mesurer la différence de masse entre un atome de tritium s'étant désintégré et un atome d'hélium 3 dans lequel l'électron émis par la désintégration bêta serait resté piégé sur une couche électronique pour former un état lié. Cette quantité connue ajoutée à la mesure de la vitesse de recul du noyau formé permet alors de calculer aisément la masse du neutrino électronique. Toujours en utilisant des atomes ultra-froids, on pourrait aussi mesurer précisément les quantités de mouvements de l'électron et de l'atome d'hélium.

La première expérience ne sera pas aussi sensible que Katrin mais la seconde pourrait l'être. Malheureusement, pour le moment, et même si le groupe de Raizen travaille sur des méthodes de refroidissement d'isotopes de l'hydrogène avec quelques succès, on ne dispose pas encore de la technologie permettant de refroidir du tritium aux quelques millionièmes de kelvins nécessaires pour concurrencer Katrin. Mais cela pourrait finir par arriver dans les années à venir et ces méthodes pourraient être complémentaires, peut-être même plus efficaces.

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