Quelle est la lumière d’un neutrino ? La réponse est plus proche que jamais

Les physiciens ont fait un pas vers la détermination de la masse du neutrino, peut-être la plus mystérieuse de toutes les particules élémentaires.

L’équipe de l’expérience Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN) en Allemagne rapporte que les neutrinos ont une masse maximale de 0,8 électron-volt. Les chercheurs ont depuis longtemps des preuves indirectes que les particules devraient être plus légères que 1 eV, mais c’est la première fois que cela est démontré dans une mesure directe. Les résultats ont été communiqués le 14 février à Physique naturelle.

La limite supérieure précédente de 1,1 eV a été signalée par KATRIN en 2019. L’expérience n’a jusqu’à présent pu mettre qu’une limite supérieure sur la masse. Mais les chercheurs disent qu’il pourrait être en mesure de faire une mesure définitive une fois qu’il aura fini de collecter des données en 2024, et qu’il s’agit de la seule expérience au monde capable de le faire.

“Si l’expérience KATRIN devait identifier une masse de neutrinos avant d’atteindre son objectif de sensibilité de 0,2 eV, ce serait extrêmement excitant”, déclare Julia Harz, physicienne théorique des particules à l’Université technique de Munich en Allemagne. En particulier, cela pourrait donner des conseils sur la façon d’améliorer les théories cosmologiques, ajoute-t-elle.

Électrons énergétiques

KATRIN mesure les neutrinos produits par la désintégration nucléaire du tritium, un isotope radioactif de l’hydrogène. Lorsqu’un noyau de tritium se transmute en un noyau d’hélium, il éjecte un électron et un neutrino (ou, plus précisément, une particule de masse égale appelée antineutrino). Le neutrino est perdu, mais l’électron est canalisé dans une chambre à vide en acier de 23 mètres de long en forme de dirigeable Zeppelin, où son énergie est mesurée avec précision.

L’électron transporte la quasi-totalité de l’énergie libérée lors de la désintégration du tritium, mais une partie est perdue avec le neutrino. La valeur de ce déficit peut être utilisée pour calculer la masse de la particule.

Les résultats de KATRIN pour 2019 étaient basés sur une première série d’expériences en avril et mai de cette année-là, lorsque le faisceau de tritium fonctionnait à un quart de sa pleine puissance. Le dernier résultat est basé sur les données du premier essai à pleine puissance, qui a eu lieu plus tard en 2019. Ces données impliquent une limite supérieure de 0,9 eV, qui descend à 0,8 eV lorsqu’elle est combinée avec les résultats précédents.

Bien que l’estimation se soit resserrée, il n’est toujours pas possible de rapporter une borne inférieure pour la masse du neutrino. Les données n’excluent toujours pas la possibilité que la masse soit nulle, déclare Magnus Schlösser, membre de KATRIN et physicien des particules à l’Institut de technologie de Karlsruhe. Mais d’autres éléments de preuve, notamment issus d’observations cosmologiques, montrent que le neutrino ne peut pas être sans masse.

Il est encore possible que même après 2024, KATRIN ne puisse pas mesurer la masse minimale du neutrino : si la masse est inférieure à 0,2 eV, elle pourrait se situer en dehors de la sensibilité de l’expérience.

Schlösser compare la quête à la recherche des conquistadors espagnols d’une mythique ville d’or. « C’est comme chercher El Dorado », dit-il. “Vous réduisez la possibilité de savoir où vous pouvez le trouver.”

Cet article est reproduit avec autorisation et a été publié pour la première fois le 14 février 2022.