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

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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.

Mark Raizen. Crédit : Texas University

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 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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