Une équipe internationale de scientifiques, y compris des chercheurs du MIT, s'est rapproché de la détermination de la masse du neutrino insaisissable. Ces particules fantomatiques imprègnent l'univers et pourtant on pense qu'elles sont presque sans masse, coulant par millions à travers notre corps en ne laissant pratiquement aucune trace physique.

Les chercheurs ont déterminé que la masse du neutrino ne devrait pas dépasser 1 électron-volt. Les scientifiques avaient précédemment estimé que la limite supérieure de la masse du neutrino était d'environ 2 électrons-volts, cette nouvelle estimation réduit donc de plus de moitié la plage de masse du neutrino.

La nouvelle estimation a été déterminée sur la base des données recueillies par KATRIN, l'expérience de Karlsruhe sur les neutrinos au tritium, à l'Institut de technologie de Karlsruhe en Allemagne, et rapporté lors de la conférence 2019 sur les astroparticules et la physique souterraine la semaine dernière. L'expérience déclenche la désintégration du tritium gazeux, qui à son tour libère des neutrinos, avec les électrons. Alors que les neutrinos se dissipent rapidement, La séquence d'aimants de KATRIN dirige les électrons du tritium au cœur de l'expérience :un spectromètre géant de 200 tonnes, où la masse et l'énergie des électrons peuvent être mesurées, et de là, les chercheurs peuvent calculer la masse des neutrinos correspondants.

Joseph Formaggio, professeur de physique au MIT, est l'un des principaux membres du groupe expérimental KATRIN, et a parlé avec MIT News de la nouvelle estimation et du chemin à parcourir dans la recherche de neutrinos.

Q :Le neutrino, sur la base des conclusions de KATRIN, ne peut pas être plus massif que 1 électron volt. Mettez ce contexte pour nous :comme est-ce léger, et à quel point la masse maximale du neutrino pourrait-elle être la moitié de ce que les gens pensaient auparavant ?

Un puits, c'est une question un peu difficile, puisque les gens (moi y compris) n'ont pas vraiment une idée intuitive de la masse d'une particule, mais essayons. Considérez quelque chose de très petit, comme un virus. Chaque virus est composé d'environ 10 millions de protons. Chaque proton pèse environ 2, 000 fois plus que chaque électron à l'intérieur de ce virus. Et ce que nos résultats ont montré, c'est que le neutrino a une masse inférieure à 1/500, 000 d'un seul électron.

En d'autres termes. Dans chaque centimètre cube d'espace autour de vous, il y a environ 300 neutrinos qui passent. Ce sont des vestiges de l'univers primitif, juste après le Big Bang. Si vous additionnez tous les neutrinos résidant à l'intérieur du soleil, vous obtiendriez environ un kilogramme ou moins. Donc, Oui, c'est petit.

Q :Qu'est-ce qui a servi à déterminer cette nouvelle limite de masse pour le neutrino ? et quel a été le rôle du MIT dans la recherche ?

R :Cette nouvelle limite de masse vient de l'étude de la désintégration radioactive du tritium, un isotope de l'hydrogène. Lorsque le tritium se désintègre, il produit un ion hélium-3, un électron, et un antineutrino. En fait, nous ne voyons jamais l'antineutrino, toutefois; l'électron porte des informations sur la masse du neutrino. En étudiant la répartition énergétique des électrons éjectés aux énergies les plus élevées autorisées, on peut en déduire la masse du neutrino, grâce à l'équation d'Einstein, E=mc ² .

Cependant, l'étude de ces électrons de haute énergie est très difficile. Pour une chose, toutes les informations sur le neutrino sont intégrées dans une infime fraction du spectre - moins d'un milliardième de désintégrations sont utiles pour cette mesure. Donc, nous avons besoin de beaucoup d'inventaire de tritium. Nous devons également mesurer l'énergie de ces électrons très, très précisément. C'est pourquoi l'expérience KATRIN est si délicate à construire. Notre toute première mesure présentée aujourd'hui est l'aboutissement de près de deux décennies de travail acharné et de planification.

Le MIT a rejoint l'expérience KATRIN lorsque je suis arrivé à Boston en 2005. Notre groupe a aidé à développer les outils de simulation pour comprendre la réponse de notre détecteur à une haute précision. Plus récemment, nous avons participé au développement d'outils pour analyser les données recueillies par l'expérience.

Q : Pourquoi la masse d'un neutrino est-elle importante ? et que faudra-t-il pour se concentrer sur sa masse exacte ?

R :Le fait que les neutrinos aient une masse quelconque a été une surprise pour de nombreux physiciens. Nos modèles précédents prédisaient que le neutrino devrait avoir une masse exactement nulle, une hypothèse réfutée par la découverte que les neutrinos oscillent entre différents types. Cela signifie que nous ne comprenons pas vraiment le mécanisme responsable des masses de neutrinos, et il est susceptible d'être très différent de la façon dont d'autres particules atteignent la masse. Aussi, notre univers est rempli de neutrinos primordiaux du Big Bang. Même une petite masse a un impact significatif sur la structure et l'évolution de l'univers car elles sont si nombreuses.

Cette mesure ne représente que le début de la mesure de KATRIN. Avec à peine un mois de données, nous avons pu améliorer les limites expérimentales précédentes d'un facteur de deux. Au cours des prochaines années, ces limites s'amélioreront régulièrement, avec un peu de chance, aboutir à un signal positif (plutôt qu'une simple limite). Il existe également un certain nombre d'autres expériences directes de masse de neutrinos à l'horizon qui rivalisent également pour atteindre une plus grande sensibilité, et avec elle, Découverte.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.