Les neutrinos se déclinent en trois saveurs composées d'un mélange de trois masses de neutrinos. Alors que les différences entre les masses sont connues, peu d'informations étaient disponibles sur la masse des espèces les plus légères jusqu'à présent.

Il est important de mieux comprendre les neutrinos et les processus par lesquels ils obtiennent leur masse car ils pourraient révéler des secrets sur l'astrophysique, y compris comment l'univers est maintenu ensemble, pourquoi elle est en expansion et de quoi est faite la matière noire.

Premier auteur, Dr Arthur Loureiro (UCL Physique &Astronomie), a dit :" Cent milliards de neutrinos traversent votre pouce depuis le Soleil chaque seconde, même la nuit. Ce sont des fantômes très faiblement interactifs dont on sait peu de choses. Ce que nous savons, c'est que lorsqu'ils se déplacent, ils peuvent changer entre leurs trois saveurs, et cela ne peut se produire que si au moins deux de leurs masses sont non nulles."

« Les trois saveurs peuvent être comparées à de la crème glacée où vous avez une boule contenant de la fraise, chocolat et vanille. Trois saveurs sont toujours présentes mais dans des proportions différentes, et le rapport changeant et le comportement étrange de la particule ne peuvent s'expliquer que par des neutrinos ayant une masse."

Le concept selon lequel les neutrinos ont une masse est relativement nouveau avec la découverte en 1998 qui a valu au professeur Takaaki Kajita et au professeur Arthur B. McDonald le prix Nobel de physique 2015. Toutefois, le modèle standard utilisé par la physique moderne n'a pas encore été mis à jour pour attribuer une masse aux neutrinos.

L'étude, publié aujourd'hui dans Lettres d'examen physique par des chercheurs de l'UCL, Université fédérale de Rio de Janeiro, Institut d'Astrophysique de Paris et Universidade de Sao Paulo, fixe pour la première fois une limite supérieure pour la masse du neutrino le plus léger. La particule pourrait techniquement n'avoir aucune masse car une limite inférieure reste à déterminer.

L'équipe a utilisé une approche innovante pour calculer la masse des neutrinos en utilisant des données collectées à la fois par des cosmologues et des physiciens des particules. Cela comprenait l'utilisation des données de 1,1 million de galaxies du Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) pour mesurer le taux d'expansion de l'univers, et les contraintes des expériences sur les accélérateurs de particules.

"Nous avons utilisé des informations provenant de diverses sources, y compris des télescopes spatiaux et terrestres observant la première lumière de l'Univers (le rayonnement de fond cosmique micro-ondes), étoiles qui explosent, la plus grande carte 3D des galaxies de l'Univers, accélérateurs de particules, réacteurs nucléaires, et plus, " a déclaré le Dr Loureiro.

"Comme les neutrinos sont abondants mais minuscules et insaisissables, nous avions besoin de toutes les connaissances disponibles pour calculer leur masse et notre méthode pourrait être appliquée à d'autres grandes questions déroutant les cosmologistes et les physiciens des particules. »

Les chercheurs ont utilisé ces informations pour préparer un cadre dans lequel modéliser mathématiquement la masse des neutrinos et ont utilisé le supercalculateur de l'UCL, La grâce, pour calculer la masse maximale possible du neutrino le plus léger à 0,086 eV (IC à 95 %), ce qui équivaut à 1,5 x 10-37 Kg. Ils ont calculé que trois saveurs de neutrinos ont ensemble une limite supérieure de 0,26 eV (IC à 95 %).

Deuxième auteur, doctorat étudiant Andrei Cuceu (UCL Physique &Astronomie), a déclaré :« Nous avons utilisé plus d'un demi-million d'heures de calcul pour traiter les données; cela équivaut à près de 60 ans sur un seul processeur. Ce projet a repoussé les limites de l'analyse des mégadonnées en cosmologie.

L'équipe affirme que comprendre comment la masse des neutrinos peut être estimée est important pour les futures études cosmologiques telles que DESI et Euclid, qui impliquent tous deux des équipes de toute l'UCL.

L'instrument spectroscopique à énergie noire (DESI) étudiera la structure à grande échelle de l'univers et son contenu en énergie noire et en matière noire avec une grande précision. Euclid est un nouveau télescope spatial développé avec l'Agence spatiale européenne pour cartographier la géométrie de l'Univers sombre et l'évolution des structures cosmiques.

Professeur Ofer Lahav (UCL Physique &Astronomie), co-auteur de l'étude et président du UK Consortiums of the Dark Energy Survey et DESI a déclaré:"Il est impressionnant que le regroupement de galaxies à des échelles énormes puisse nous renseigner sur la masse du neutrino le plus léger, un résultat d'une importance fondamentale pour la physique. Cette nouvelle étude démontre que nous sommes sur la bonne voie pour mesurer réellement les masses des neutrinos avec la prochaine génération de grands relevés spectroscopiques des galaxies, comme DESI, Euclide et d'autres."

Arthur Loureiro et al., 'On The Upper Bound of Neutrino Masses from Combined Cosmological Observations and Particle Physics Experiments' sera publié dans Lettres d'examen physique le jeudi 22 août 2019.