Quelle est la masse d'un neutrino au repos ? C’est l’une des grandes questions sans réponse en physique. Les neutrinos jouent un rôle central dans la nature. Une équipe dirigée par Klaus Blaum, directeur de l'Institut Max Planck de physique nucléaire à Heidelberg, a désormais apporté une contribution importante à la « pesée » des neutrinos dans le cadre de la collaboration internationale ECHo. Leurs résultats sont publiés dans Nature Physics .

À l’aide d’un piège de Penning, il a mesuré avec une extrême précision la variation de masse d’un isotope de l’holmium-163 lorsque son noyau capture un électron et se transforme en dysprosium-163. À partir de là, il a pu déterminer la valeur Q 50 fois plus précisément qu’auparavant. En utilisant une valeur Q plus précise, d'éventuelles erreurs systématiques dans la détermination de la masse des neutrinos peuvent être révélées.

Dans les années 1930, il s’est avéré que ni l’équilibre de l’énergie ni celui de la quantité de mouvement n’étaient corrects lors de la désintégration bêta radioactive d’un noyau atomique. Cela a conduit au postulat de « particules fantômes » qui transportent « secrètement » l'énergie et l'élan. En 1956, la preuve expérimentale de l’existence de tels neutrinos fut finalement obtenue. Le défi :les neutrinos n'interagissent avec d'autres particules de matière que via l'interaction faible qui est également à l'origine de la désintégration bêta d'un noyau atomique.

C’est pour cette raison que des centaines de milliards de neutrinos provenant du cosmos, notamment du Soleil, peuvent traverser notre corps chaque seconde sans causer de dommages. Les collisions extrêmement rares de neutrinos avec d'autres particules de matière ne peuvent être détectées qu'avec d'énormes détecteurs.

Les neutrinos solaires ont apporté une autre révélation révolutionnaire :les trois types de neutrinos connus à ce jour peuvent se transformer les uns dans les autres. Cependant, ces « oscillations des neutrinos » ont eu de graves conséquences sur la vision du monde de la physique des particules. Auparavant, on supposait que les neutrinos n'avaient pas de masse au repos, comme les photons.

Cela serait compatible avec le modèle standard de la physique des particules, la meilleure description du monde des particules à ce jour. Cependant, les oscillations ont forcé une masse au repos pour les neutrinos, une indication supplémentaire qu'une nouvelle physique doit exister au-delà du modèle standard.

Connaître la masse exacte au repos du neutrino serait donc un sésame ouvert sur le monde inconnu de la nouvelle physique. Malheureusement, on ne peut pas simplement placer un neutrino sur une balance. Cela nécessite des expériences extrêmement complexes sur des processus physiques techniquement accessibles impliquant des neutrinos.

"Une solution est la désintégration bêta du tritium", explique Christoph Schweiger, doctorant au département de Klaus Blaum à l'Institut Max Planck de physique nucléaire. Ici, l'un des deux neutrons de l'hydrogène super lourd se désintègre en proton et émet un électron et un neutrino, transformant ainsi l'atome en hélium plus léger. Ce processus est "pesé" par l'expérience KATRIN de l'Institut technologique de Karlsruhe.

"La voie complémentaire est la capture électronique de l'isotope artificiel holmium-163", poursuit Schweiger. Ici, le noyau atomique capture un électron de la couche électronique interne, grâce à quoi un proton est converti en neutron, ce qui donne l'élément dysprosium-163. Cela libère également, entre autres, un neutrino. La collaboration internationale ECHo, à laquelle participent les scientifiques de Heidelberg, tente de mesurer énergétiquement ce processus de désintégration avec une extrême précision.

D'après E =mc ² d'Einstein , la masse et l'énergie sont équivalentes, donc mesurer l'énergie peut être assimilé à peser des masses. En tant que « calorimètre », ECHo mesure avec une extrême précision l'énergie totale libérée lors de cette désintégration :cela correspond à un maximum de la valeur Q moins la masse au repos du neutrino libéré. À cette fin, l'isotope holmium-163 est incorporé dans une couche d'atomes d'or.

"Cependant, ces atomes d'or pourraient avoir une influence sur l'holmium-163", explique Schweiger. "Il est donc important de mesurer la valeur de Q le plus précisément possible à l'aide d'une méthode alternative et de la comparer avec la valeur déterminée calorimétriquement afin de détecter d'éventuelles sources d'erreur systématiques."

C'est ici qu'interviennent l'expérience du pentatrap de Heidelberg et la thèse de doctorat de Schweiger. Pentatrap se compose de cinq pièges Penning. Dans ces pièges, des atomes chargés électriquement peuvent être capturés dans une combinaison de champs électriques statiques et magnétiques.

Ces ions exécutent une « danse en cercle » complexe, qui permet de déterminer leur masse avec une extrême précision. "Avec un Airbus A-380 avec une charge maximale, vous pourriez utiliser cette sensibilité pour déterminer si une seule goutte d'eau s'est posée dessus", explique le physicien, illustrant les capacités de cette super-échelle.

En principe, un piège Penning fonctionne comme une balançoire. Si vous placez deux enfants de poids différents l'un à côté de l'autre sur deux balançoires du même type et que vous les poussez avec la même force, vous observerez progressivement un changement dans les fréquences de balançoire. Cela peut être utilisé pour calculer la différence de poids entre les deux enfants.

Dans le cas de l’expérience pentatrap, il s’agit de la différence de masse entre un ion holmium-163 et un ion dysprosium-163. De plus, plus les deux enfants se balancent vite, plus tôt le résultat est obtenu, ce qui est également beaucoup plus précis pour le même temps d'observation que pour un balancement lent.

Pour cette raison, l’équipe a retiré 38, 39 et 40 électrons des ions « hautement chargés » au cours de trois séries de mesures différentes, ce qui rend leur « danse en cercle » considérablement plus rapide. "Si tout fonctionne, une mesure ne prendra que quelques semaines", explique Schweiger.

A partir des différences de masse résultant de diverses mesures de fréquence, via E =mc ² les scientifiques de Heidelberg ont finalement pu déterminer une valeur Q pour la capture d'électrons 50 fois plus précise qu'auparavant. "La contribution des trois groupes théoriques, y compris celui de Christoph Keitel ici à l'institut, a été tout aussi importante que nos mesures", souligne Schweiger.

Outre la différence de fréquence entre les deux ions, une deuxième variable a une influence significative sur la valeur Q déterminée :l'énergie stockée dans le système électronique restant d'un ion hautement chargé. Comme un ion aussi gros est un système multiparticule, le calcul était d'autant plus complexe.

Il s’est avéré que les calculs ont abouti à presque exactement les mêmes valeurs Q pour les trois états de charge mesurés, avec 38, 39 et 40 électrons supprimés. Cela montre clairement que les incertitudes systématiques dans l'expérience et la théorie peuvent être exclues, souligne Schweiger avec enthousiasme. Et qu'est-ce que cela signifie pour les masses des neutrinos ?

KATRIN a déterminé la limite supérieure la plus précise à ce jour de la masse des neutrinos en "pesant" à 0,8 électron-volt par vitesse de la lumière au carré, ce qui correspond à un inimaginable 0,0000000000000000000000000000000000014 kilogramme.

Cet ordre de grandeur de 10 ^-36 correspond approximativement au rapport pondéral entre quatre raisins secs et le soleil. Et ce n’est qu’une limite supérieure. L'analyse de la distribution de masse estimée dans l'univers arrive même à une limite supérieure significativement inférieure des masses des neutrinos de 0,12 électron-volt par vitesse de la lumière au carré.

"Cependant, cette analyse est très complexe et dépend du modèle cosmologique utilisé", explique Schweiger. Quoi qu’il en soit, il est clair que quiconque souhaite peser des neutrinos se trouve confronté à des défis extrêmes, à la limite de ce qui est techniquement possible. Dans ce contexte, les résultats de Heidelberg constituent un pas en avant majeur vers la résolution du mystère des masses des neutrinos.

Plus d'informations : Mesure directe de haute précision par Penning-trap de la valeur Q de la capture électronique dans 163Ho pour la détermination de la masse des neutrinos électroniques, Nature Physics (2024). DOI :10.1038/s41567-024-02461-9

Informations sur le journal : Physique de la nature

Fourni par la Société Max Planck