Les physiciens se rapprochent de la connaissance de la masse du Neutrino

L’expérience KATRIN vise à « peser le fantôme », ce qui pourrait indiquer de nouvelles lois de la physique des particules et remodeler les théories de la cosmologie.

De toutes les particules connues dans l’univers, seuls les photons sont plus nombreux que les neutrinos. Malgré leur abondance, les neutrinos sont difficiles à capturer et à inspecter, car ils n’interagissent que très faiblement avec la matière. Environ 1 000 milliards de particules fantomatiques traversent votre corps toutes les secondes sans qu’un seul atome ne vous échappe, ne serait-ce qu’un seul instant.

« Le fait qu’ils soient omniprésents, et pourtant nous ne savons même pas combien ils pèsent, est un peu fou « , a déclaré Deborah Harris, physicienne au Fermi National Accelerator Laboratory près de Chicago et de l’Université York à Toronto.

Les physiciens ont longtemps essayé de peser le fantôme. Et en septembre, après 18 ans de planification, de construction et d’étalonnage, l‘expérience KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino) dans le sud-ouest de l’Allemagne a annoncé ses premiers résultats : Il a constaté que le neutrino ne peut pas peser plus de 1,1 électron-volt (eV), soit environ un-cent-cinq millième de la masse de l’électron.

Cette estimation initiale, à partir de données d’un mois seulement, améliore les mesures précédentes en utilisant des techniques similaires qui fixaient la limite supérieure de la masse de neutrinos à 2 eV. Au fur et à mesure que les données s’accumulent, KATRIN vise à déterminer la masse réelle plutôt que de donner une limite supérieure.

Pourquoi la masse est importante

La masse est l’une des caractéristiques les plus fondamentales et les plus importantes des particules fondamentales. Le neutrino est la seule particule connue dont la masse reste un mystère. Mesurer sa masse aiderait à mettre en évidence de nouvelles lois de la physique au-delà du modèle standard, la description remarquablement réussie mais incomplète de l’interaction des particules et des forces connues de l’univers. Sa masse mesurée servirait également à vérifier les théories des cosmologiens sur l’évolution de l’univers.

« Selon la masse du neutrino, cela peut mener à des moments très excitants en cosmologie « , explique Diana Parno, physicienne à l’Université Carnegie Mellon et membre de l’équipe KATRIN.

Jusqu’à il y a une vingtaine d’années encore, les neutrinos – qui avaient été théoriquement prévus en 1930 et découverts en 1956 – étaient présumés être sans masse. « Quand j’étais à l’université, mes manuels scolaires disaient tous que les neutrinos n’avaient pas de masse, dit Harris.

Cela a changé lorsque, dans une découverte qui allait remporter le prix Nobel en 2015, les physiciens ont découvert que les neutrinos pouvaient se transformer d’un type à l’autre, oscillant entre trois états « saveurs » : électron, muon et tau. Ces oscillations ne peuvent se produire que si les neutrinos ont aussi trois états de masse possibles, où chaque saveur a des probabilités distinctes d’être dans chacun des trois états de masse. Les états de masse voyagent différemment dans l’espace, de sorte qu’au moment où un neutrino passe d’un point A à un point B, ce mélange de probabilités aura changé, et un détecteur pourrait mesurer un goût différent.

S’il y a trois états de masse différents, alors ils ne peuvent pas tous être zéro – ainsi, les neutrinos ont une masse. Selon des données récentes sur les oscillations des neutrinos (qui révèlent les différences entre les états de masse plutôt que leurs valeurs réelles), si l’état de masse le plus faible est zéro, le plus lourd doit être au moins 0,0495 eV.

Pourtant, c’est tellement léger comparé à la masse des autres particules que les physiciens ne savent pas comment les neutrinos obtiennent des masses aussi minuscules. D’autres particules du modèle standard acquièrent de la masse en interagissant avec le champ de Higgs, un champ d’énergie qui remplit tout l’espace et entraîne des particules massives. Mais pour les neutrinos,  » la masse est si petite qu’il faut une théorie supplémentaire pour l’expliquer « , dit Parno.

Trouver comment les neutrinos acquièrent de la masse peut résoudre d’autres mystères apparemment liés, par exemple pourquoi il y a plus de matière que d’antimatière dans l’univers. Des théories concurrentes pour le mécanisme de génération de masse prédisent des valeurs différentes pour les trois états de masse. Alors que les expériences sur l’oscillation des neutrinos ont mesuré les différences entre les états de masse, des expériences comme celle de KATRIN se situent sur une sorte de moyenne des trois. La combinaison de ces deux types de mesures peut révéler la valeur de chaque état de masse, favorisant certaines théories de la masse de neutrinos par rapport à d’autres.

Questions cosmiques

La masse de neutrinos a aussi une importance cosmique. Malgré leur masse minuscule, tant de neutrinos sont nés pendant le Big Bang que leur gravité collective a influencé la façon dont toute la matière de l’univers s’est regroupée en étoiles et galaxies. Environ une seconde après le Big Bang, les neutrinos volaient presque à la vitesse de la lumière, si vite qu’ils échappaient à l’attraction gravitationnelle d’autres matières. Mais ils ont commencé à ralentir, ce qui leur a permis d’aider les atomes, les étoiles et les galaxies du corral. Le point auquel les neutrinos ont commencé à ralentir dépend de leur masse. Des neutrinos plus lourds auraient décéléré plus tôt et auraient contribué à rendre l’univers plus maladroit.

En mesurant la maladresse cosmique, les cosmologistes peuvent déduire la masse du neutrino. Mais cette méthode indirecte repose sur l’hypothèse que les modèles du cosmos sont corrects, donc si elle donne une réponse différente des mesures directes de la masse de neutrinos, cela pourrait indiquer que les théories cosmologiques sont fausses.

Jusqu’à présent, l’approche cosmologique indirecte a été plus sensible que les mesures directes de masse par des expériences comme KATRIN. Des données cosmologiques récentes du satellite Planck suggèrent que la somme des trois états de masse des neutrinos ne peut être supérieure à 0,12 eV, et en août, une autre analyse des observations cosmologiques a révélé que la masse la plus légère doit être inférieure à 0,086 eV. Tout cela tombe bien en dessous de la limite supérieure de KATRIN, il n’y a donc pas encore de contradiction entre les deux approches. Mais à mesure que KATRIN recueille plus de données, des divergences pourraient survenir.

Quelle est la prochaine étape ?

L’expérience KATRIN tant attendue pèse les neutrinos en utilisant le tritium, un isotope lourd de l’hydrogène. Lorsque le tritium subit une désintégration bêta, son noyau émet un électron et un neutrino à saveur d’électron. En mesurant l’énergie des électrons les plus énergétiques, les physiciens peuvent déduire l’énergie – et donc la masse (ou plutôt la moyenne pondérée des trois masses contributives) – du neutrino électronique.

Si KATRIN trouve une masse d’environ 0,2 ou 0,3 eV, les cosmologistes auront du mal à concilier leurs observations, dit Marilena Loverde, cosmologiste à l’Université de Stony Brook. Une explication possible pourrait être un nouveau phénomène qui fait que l’influence cosmologique de la masse du neutrino s’estompe avec le temps. Par exemple, le neutrino se décompose peut-être en particules inconnues encore plus légères, dont les vitesses proches de la lumière les rendent incapables d’agglomérer la matière. Ou peut-être que le mécanisme qui donne la masse aux neutrinos a changé au cours de l’histoire cosmique.

Si, par contre, la masse du neutrino est proche de ce que prédisent les observations cosmologiques, KATRIN ne sera pas assez sensible pour le mesurer. Il ne peut peser que des neutrinos jusqu’à 0,2 eV. Si les neutrinos sont plus légers que cela, les physiciens auront besoin d’expériences plus sensibles pour se rapprocher de sa masse et résoudre les questions de physique des particules et de cosmologie. Trois projets potentiellement plus sensibles – le projet 8, Capture d’électrons sur Holmium et HOLMES – recueillent déjà des données avec des instruments de preuve de concept.

Histoire originale via Quanta Magazine par Wired

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