L’expérience KATRIN, située à l’Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) vient de franchir un seuil symbolique. Image: KIT
Quelle est la masse des neutrinos? L’expérience KATRIN, en Allemagne, vient de franchir une étape importante pour résoudre ce mystère.
La valeur de la masse des neutrinos est l’une des grandes énigmes de la physique. Après les photons, les neutrinos sont les particules les plus abondantes de l’Univers, mais comme ils interagissent très peu avec la matière, ils sont extrêmement difficiles à observer. Et ils renferment de nombreux secrets, dont nous vous parlions ici. L’un d’eux concerne leur masse, ou plutôt leurs masses, car ces particules existent en trois « modèles » qui ont l’étrange propriété de pouvoir se changer l’un en l’autre au fil de leur déplacement.
Vestiges du big bang et produits au cœur des étoiles, les neutrinos sont aussi émis dans certaines désintégrations radioactives, comme celle du tritium, un isotope instable de l’hydrogène. C’est grâce à ces désintégrations que l’expérience KATRIN, située à l’Institut de technologie de Karlsruhe, tente de déterminer l’infime masse des neutrinos. Le défi est majeur, car on sait que cette masse est de l’ordre de plusieurs millions de fois plus faible que la masse des électrons.
Le principe de l’expérience KATRIN
L’idée est de scruter la désintégration d’un atome radioactif de tritium, qui donne lieu à l’émission d’un électron et d’un antineutrino (dont la masse est identique à celle d’un neutrino). En bref, on mesure l’énergie des électrons éjectés lors de la réaction, pour en déduire celle des neutrinos (masse et énergie sont liées, par l’équation E=mc2).
Sans en donner la valeur absolue, les scientifiques de KATRIN viennent toutefois d’annoncer un résultat important : la masse des neutrinos ne dépasse pas 0,8 eV (électronvolts, soit 1,4x 10-36 kg), selon l’article publié dans la revue Nature Physics. Voilà qui « resserre l’étau », en quelque sorte, puisque la précédente limite calculée par l’équipe en 2019, après la mise en service du dispositif, était de 1,1 eV.
« Ce résultat n’utilise qu’une petite fraction des données qui seront accumulées par l’expérience. KATRIN va prendre des données jusqu’en 2025, pour atteindre une sensibilité finale de 0,2 eV. Si la masse du neutrino est inférieure à 0,2 eV, alors le résultat final de KATRIN sera encore une limite supérieure et nous aurons encore plus resserré l’étau. Mais si la vraie masse est effectivement comprise entre 0,2 et 0,8 eV, nous aurons alors, et pour la première fois, une véritable mesure », précise Thierry Lasserre, membre de la collaboration KATRIN et physicien au Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives et à l’Institut sur la recherche des lois fondamentales de l’Univers en France.
Dans les faits, cela ne change pour l’instant pas grand-chose, mais c’est la preuve que l’expérience KATRIN est extrêmement sensible et performante. Le dispositif expérimental de 70 m de long abrite la source de tritium la plus intense au monde et un spectromètre géant permettant de mesurer l’énergie des électrons de désintégration avec une précision inédite. Des qualités à la hauteur de sa mission!
Image: KIT.