Les résultats de l'expérience KATRIN excluent un neutrino léger stérile d'une masse comprise entre 3 et 30 électronvolts. Un neutrino dans cette fourchette se serait révélé par un coude de la ligne orange, par exemple. comme indiqué ici à 10 électronvolts sous la valeur finale de 18,6 kiloélectronvolts. (Ligne verte :spectre d'un neutrino léger virtuel stérile avec une masse de 10 eV; raie bleue :spectre du classique, neutrino actif; ligne orange :spectre combiné. Crédit :intrigue :collaboration KATRIN
Il y a beaucoup de questions autour du neutrino de particule élémentaire, notamment en ce qui concerne sa masse. Les physiciens s'intéressent également à savoir si, outre les neutrinos « classiques », il existe des variantes telles que les neutrinos dits stériles. L'expérience KATRIN a maintenant réussi à restreindre fortement la recherche de ces particules insaisissables. La publication est parue récemment dans la revue Lettres d'examen physique .
À proprement parler, le neutrino n'est pas une particule unique mais comprend plusieurs espèces :le neutrino électronique, le neutrino du muon, et le neutrino tau. Ces particules se transforment constamment les unes dans les autres dans un processus appelé oscillation des neutrinos. On suppose que les neutrinos ont une masse; ceci doit être déterminé dans l'expérience KATRIN, qui a débuté en 2019 au Karlsruhe Institute for Technology (KIT). Selon les résultats à ce jour, le neutrino a une masse inférieure à 1 électron-volt.
KATRIN pourrait également être utilisé pour traquer des espèces apparentées qui n'étaient jusqu'à présent qu'hypothétiques :les neutrinos stériles. La branche la plus lourde (masse dans la gamme des kiloélectronvolts) est considérée comme candidate à la matière noire et sera recherchée après l'installation d'un nouveau détecteur à KATRIN. Mis-à-part, il pourrait également y avoir un type de neutrino stérile plus léger.
Nouveaux critères d'exclusion pour le neutrino léger stérile
De nombreuses expériences recherchent des neutrinos légers stériles (masse de l'ordre de l'électronvolt). Il pourrait aussi se révéler dans l'expérience KATRIN. La masse et le rapport de mélange des neutrinos actifs (normaux) et stériles jouent un réel essentiel dans la recherche du neutrino léger stérile.
La zone à gauche des lignes montre les plages de recherche des différentes expériences pour le neutrino léger stérile. La zone à l'intérieur des lignes vertes marque l'emplacement le plus probable pour les neutrinos stériles légers. Les évaluations de l'expérience KATRIN (ligne continue bleue) réduisent considérablement cette plage de recherche. Crédit :intrigue :collaboration KATRIN
Susanne Mertens et son équipe du Max Planck Institute for Physics (MPP) ont réussi à définir de nouvelles limites d'exclusion avec l'aide de KATRIN. "Avec nos évaluations, nous avons pu réduire considérablement la zone de recherche de ce neutrino, " dit Mertens.
Avec la nouvelle analyse des données KATRIN, développé par le groupe de Susanne Mertens et Thierry Lasserre chez MPP, l'existence de neutrinos stériles d'une masse comprise entre 3 et 30 électronvolts environ et d'un rapport de mélange supérieur à 10 % est désormais exclue. Ce résultat complète les limites d'exclusion précédemment atteintes.
Recherche en mesurant la masse du neutrino
Mais comment KATRIN peut-il trouver des neutrinos stériles ? En utilisant la même méthode, l'expérience détermine également la masse du neutrino actif. La masse du neutrino peut être mesurée par décroissance radioactive. KATRIN utilise du tritium (eau lourde) à cette fin. Lorsqu'un proton est converti en neutron, un neutrino et un électron sont produits. L'énergie de désintégration de 18,6 kiloélectronvolts est répartie entre eux.
"Nous savons que le neutrino est extrêmement léger et ne reçoit qu'une infime fraction de l'énergie de désintégration, " dit Mertens. " L'énergie maximale de l'électron est réduite par la masse du neutrino. " La masse du neutrino résulte donc de la différence entre l'énergie de désintégration et l'énergie maximale de l'électron.
La détection du neutrino léger stérile suivrait le même principe. Si des neutrinos stériles sont également libérés lors de la décroissance radioactive, il laisserait une trace visible dans le spectre énergétique des électrons. "Alors un virage clair apparaîtrait dans la courbe", explique Mertens. "Cela permettrait à KATRIN non seulement de déterminer la masse des neutrinos actifs, mais aussi de prouver l'existence d'une autre espèce de neutrinos."
