L'agencement et les principales caractéristiques de l'installation expérimentale KATRIN à l'Institut de technologie de Karlsruhe. Crédit : Institut de technologie de Karlsruhe
Une équipe internationale de scientifiques a annoncé une percée dans sa quête pour mesurer la masse du neutrino, l'un des plus abondants, encore insaisissable, particules élémentaires de notre univers.
Lors de la conférence Topics in Astroparticle and Underground Physics à Toyama, Japon, les dirigeants de l'expérience KATRIN ont rapporté le 13 septembre que la plage estimée pour la masse au repos du neutrino n'est pas supérieure à 1 électron-volt, ou eV. Ces premiers résultats obtenus plus tôt cette année par l'expérience Karlsruhe Tritium Neutrino - ou KATRIN - ont réduit de plus de moitié la plage de masse du neutrino en abaissant la limite supérieure de la masse du neutrino de 2 eV à 1 eV. La limite inférieure de la masse du neutrino, 0,02 eV, a été fixé par des expériences antérieures menées par d'autres groupes.
« Connaître la masse du neutrino permettra aux scientifiques de répondre à des questions fondamentales en cosmologie, astrophysique et physique des particules, comme la façon dont l'univers a évolué ou quelle physique existe au-delà du modèle standard, " a déclaré Hamish Robertson, un scientifique KATRIN et professeur émérite de physique à l'Université de Washington. "Ces découvertes de la collaboration KATRIN réduisent d'un facteur deux la plage de masse précédente du neutrino, placer des critères plus stricts sur la masse réelle du neutrino, et fournir une voie à suivre pour mesurer sa valeur de manière définitive. »
L'expérience KATRIN est basée à l'Institut de technologie de Karlsruhe en Allemagne et implique des chercheurs de 20 instituts de recherche à travers le monde. En plus de l'Université de Washington, Les institutions membres de KATRIN aux États-Unis sont :
Sous Robertson et Wilkerson, l'Université de Washington est devenue l'une des institutions membres fondatrices de KATRIN en 2001. Wilkerson a ensuite déménagé à l'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill. Formaggio et Parno ont commencé leur implication avec KATRIN en tant que chercheurs UW et ont ensuite déménagé dans leurs institutions actuelles. En plus de Robertson, d'autres scientifiques actuels de l'UW travaillant sur l'expérience KATRIN sont le professeur de recherche en physique Peter Doe, professeur agrégé de recherche en physique Sanshiro Enomoto et Menglei Sun, chercheur postdoctoral au UW Center for Experimental Nuclear Physics and Astrophysics.
Les neutrinos sont abondants. Ils sont l'une des particules fondamentales les plus communes dans notre univers, juste derrière les photons. Pourtant, les neutrinos sont également insaisissables. Ce sont des particules neutres sans charge et elles n'interagissent avec d'autres matières que par la bien nommée « interaction faible, " ce qui signifie que les occasions de détecter les neutrinos et de mesurer leur masse sont à la fois rares et difficiles.
Le spectromètre de l'expérience KATRIN, alors qu'il traverse la ville allemande d'Eggenstein-Leopoldshafen en 2006 en direction de l'Institut de technologie de Karlsruhe à proximité. Crédit : Institut de technologie de Karlsruhe
"Si vous remplissiez le système solaire de plomb jusqu'à cinquante fois au-delà de l'orbite de Pluton, environ la moitié des neutrinos émis par le soleil quitteraient encore le système solaire sans interagir avec ce plomb, " a déclaré Robertson.
Les neutrinos sont aussi des particules mystérieuses qui ont déjà bousculé la physique, cosmologie et astrophysique. Le modèle standard de la physique des particules avait déjà prédit que les neutrinos ne devraient pas avoir de masse. Mais en 2001, les scientifiques avaient montré avec deux détecteurs, Super-Kamiokande et l'Observatoire de neutrinos de Sudbury, qu'ils ont en fait une masse non nulle, une percée reconnue en 2015 avec le prix Nobel de physique. Les neutrinos ont une masse, mais combien?
"Résoudre la masse du neutrino nous conduirait dans un nouveau monde courageux de création d'un nouveau modèle standard, " dit Doe.
La découverte de KATRIN découle de la mesures de haute précision de la façon dont un type rare de paire électron-neutrino partage l'énergie. Cette approche est la même que les expériences de masse de neutrinos des années 1990 et du début des années 2000 à Mayence, Allemagne, et Troïtsk, Russie, les deux fixant la limite supérieure précédente de la masse à 2 eV. Le cœur de l'expérience KATRIN est la source qui génère des paires électron-neutrino :tritium gazeux, isotope hautement radioactif de l'hydrogène. Lorsque le noyau de tritium subit une désintégration radioactive, il émet une paire de particules :un électron et un neutrino, les deux partageant 18, 560 eV d'énergie.
Les scientifiques de KATRIN ne peuvent pas mesurer directement les neutrinos, mais ils peuvent mesurer les électrons, et essayez de calculer les propriétés des neutrinos en fonction des propriétés des électrons.
La plupart des paires électron-neutrino émises par le tritium partagent également leur charge énergétique. Mais dans de rares cas, l'électron prend presque toute l'énergie, ne laissant qu'une infime quantité au neutrino. Ces rares paires sont ce que recherchent les scientifiques de KATRIN car, grâce à E =mc2, les scientifiques savent que la quantité infime d'énergie laissée au neutrino doit inclure sa masse au repos. Si KATRIN peut mesurer avec précision l'énergie de l'électron, ils peuvent calculer l'énergie du neutrino et donc sa masse.
La source de tritium génère environ 25 milliards de paires électron-neutrino chaque seconde, dont seulement une fraction sont des paires où l'électron prend presque toute l'énergie de désintégration. L'installation KATRIN à Karlsruhe utilise une série complexe d'aimants pour canaliser l'électron loin de la source de tritium et vers un spectromètre électrostatique, qui mesure l'énergie des électrons avec une grande précision. Un potentiel électrique dans le spectromètre crée un "gradient d'énergie" que les électrons doivent "monter" afin de traverser le spectromètre pour être détectés. L'ajustement du potentiel électrique permet aux scientifiques d'étudier les espèces rares, électrons de haute énergie, qui portent des informations sur la masse du neutrino.
Dans cette image de 2010, des membres de l'expérience KATRIN posent devant le spectromètre après son installation à l'Institut de technologie de Karlsruhe. Crédit :Joachim Wolf/Institut de technologie de Karlsruhe
Les institutions américaines ont largement contribué à KATRIN, notamment en fournissant le système de détecteur d'électrons - "l'œil" de KATRIN - qui regarde au cœur du spectromètre, un instrument construit à l'UW. L'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill a dirigé le développement du système d'acquisition de données du détecteur, le "cerveau" de KATRIN. La contribution du MIT a été la conception et le développement du logiciel de simulation utilisé pour modéliser la réponse de KATRIN. Le Lawrence Berkeley National Laboratory a contribué à la création du programme d'analyses physiques et a fourni l'accès aux installations informatiques nationales, et une analyse rapide a été rendue possible par une suite d'applications provenant de l'UW. La Case Western Reserve University était responsable de la conception du canon à électrons, central pour calibrer l'appareil KATRIN. L'Université Carnegie Mellon a principalement contribué à l'analyse, avec une attention particulière au fond et au montage, et aidé à la coordination de l'analyse pour l'expérience.
L'acquisition de données sur le tritium étant maintenant en cours, Les institutions américaines se concentrent sur l'analyse de ces données pour améliorer encore notre compréhension de la masse des neutrinos. Ces efforts peuvent également révéler l'existence de neutrinos stériles, un candidat possible pour la matière noire qui, bien que représentant 85% de la matière dans l'univers, reste non détecté.
"KATRIN n'est pas seulement un phare de la recherche fondamentale et un instrument de haute technologie d'une fiabilité exceptionnelle, mais aussi un moteur de coopération internationale, qui offre une formation de premier ordre aux jeunes chercheurs, ", ont déclaré les co-porte-parole de KATRIN Guido Drexlin de l'Institut de technologie de Karlsruhe et Christian Weinheimer de l'Université de Münster dans un communiqué.
Maintenant que les scientifiques de KATRIN ont fixé une nouvelle limite supérieure pour la masse du neutrino, les scientifiques du projet s'efforcent de réduire encore plus la gamme.
"Les neutrinos sont d'étranges petites particules, " a déclaré Doe. " Ils sont si omniprésents, et il y a tellement de choses que nous pouvons apprendre une fois que nous avons déterminé cette valeur."
L'Office of Nuclear Physics du département de l'Énergie des États-Unis finance la participation des États-Unis à l'expérience KATRIN depuis 2007.
