Le projet 8 a utilisé de manière innovante la spectroscopie d’émission de rayonnement cyclotronique pour observer le comportement des électrons lors de la désintégration du tritium, fixant ainsi une limite supérieure pour la masse des neutrinos. Cela marque un progrès dans un défi de longue date en physique des particules, avec le potentiel d’améliorer notre compréhension de l’évolution de l’univers.
L’expérience du projet 8 franchit une étape importante dans la mesure de la masse des neutrinos.
Les neutrinos sont des particules élémentaires omniprésentes qui n’interagissent que très faiblement avec la matière normale. C’est pourquoi elles y pénètrent généralement sans entrave et sont donc également appelées particules fantômes. Néanmoins, les neutrinos jouent un rôle prédominant dans l’univers primitif. Afin d’expliquer pleinement l’évolution de notre univers, il faut avant tout connaître leur masse. Mais jusqu’à présent, il n’a pas été possible de déterminer cette masse.
La nouvelle approche du projet 8
La collaboration internationale Project 8 veut changer cela avec sa nouvelle expérience. Pour la première fois, le projet 8 utilise une toute nouvelle technologie, la spectroscopie d’émission de rayonnement cyclotronique (CRES), pour déterminer la masse des neutrinos.
Dans une publication récente dans Lettres d’examen physique, la collaboration Projet 8 a désormais pu montrer que la méthode CRES est bien adaptée à la détermination de la masse des neutrinos et a déjà fixé une limite supérieure pour cette quantité fondamentale lors d’une première mesure – une étape importante a ainsi été franchie. De l’Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU), sont impliqués les groupes de recherche du professeur Martin Fertl et du professeur Sebastian Böser, tous deux chercheurs du pôle d’excellence PRISMA.+. Le Dr Christine Claessens, ancienne doctorante de Sebastian Böser et aujourd’hui postdoctorante à l’Université de Washington à Seattle aux États-Unis, a apporté une contribution cruciale à la publication actuelle dans le cadre de sa thèse de doctorat.
Mesurer la masse des neutrinos via le comportement des électrons
L’expérience Project 8 utilise la désintégration bêta du tritium radioactif pour suivre la masse des neutrinos. Le tritium est un parent lourd de l’hydrogène, ce qu’on appelle un isotope. Il est instable et se compose d’un proton et de deux neutrons. En convertissant l’un de ces neutrons en proton, le tritium se désintègre en hélium tout en émettant un électron et un antineutrino.
« Et voici le kicker », a déclaré le professeur Martin Fertl. « Comme les neutrinos et leurs antiparticules n’ont pas de charge électrique, ils sont très difficiles à détecter. Nous n’essayons donc même pas de les détecter. Au lieu de cela, nous mesurons l’énergie des électrons résultants via leur fréquence orbitale dans un champ magnétique. En fonction de la forme du spectre énergétique des électrons, nous déterminons ensuite la masse du neutrino ou fixons ainsi une limite supérieure à cette masse.
La précision du CRES
Pour obtenir des résultats fiables, l’énergie des électrons doit être mesurée de manière extrêmement précise. En effet, l’(anti)neutrino qui en résulte est incroyablement léger, au moins 500 000 fois plus léger qu’un électron.
« Lorsque des neutrinos et des électrons sont produits simultanément, la masse du neutrino n’a qu’un effet minime sur le mouvement de l’électron. Et nous voulons voir ce petit effet», a expliqué le professeur Sebastian Böser.
La méthode qui rend cela possible s’appelle Cyclotron Radiation Emission Spectroscopy, CRES en abrégé. Il enregistre le rayonnement micro-onde émis par les électrons naissants lorsqu’ils sont forcés de suivre une trajectoire circulaire dans un champ magnétique. La fréquence du rayonnement émis peut être déterminée de manière extrêmement précise, puis la masse du neutrino peut être déduite de l’énergie électronique.
Pour réaliser ce travail, Christine Claessens a apporté une contribution expérimentale décisive : « Dans le cadre de ma thèse de doctorat, j’ai développé, entre autres, un système de détection d’événements composé d’un déclencheur temps réel et d’une reconstruction d’événements hors ligne. Ce système recherche les caractéristiques CRES dans le signal radiofréquence numérisé et traité en continu. La reconstruction de la fréquence de départ de chaque événement électronique permet un enregistrement de haute précision du spectre de désintégration du tritium.
Résultats expérimentaux
Sur cette base, Claessens a réussi à analyser le premier spectre du tritium enregistré avec CRES en ce qui concerne les incertitudes systématiques – et ainsi à calculer une première limite supérieure pour la masse des neutrinos avec cette nouvelle technologie, qui a maintenant trouvé sa place dans la dernière publication.
Là, la collaboration Project 8 rapporte spécifiquement 3 770 événements de désintégration bêta du tritium qui ont été enregistrés sur une période de 82 jours dans une cellule d’échantillon de la taille d’un seul pois. La cellule d’échantillon est refroidie à des températures très basses et placée dans un champ magnétique qui fait voyager les électrons qui s’échappent sur une trajectoire circulaire suffisamment longue pour que les détecteurs enregistrent un signal micro-ondes. Surtout, aucun faux signal ou événement de fond n’est enregistré qui pourrait être confondu avec le signal réel ou le masquer.
«La première détermination de la limite supérieure de la masse des neutrinos avec une technique de mesure purement basée sur la fréquence est un résultat très prometteur, car nous pouvons aujourd’hui mesurer les fréquences avec une grande précision», concluent les professeurs Sebastian Böser et Martin Fertl.
Les prochaines étapes sont déjà en cours
Après la démonstration de principe réussie, l’étape suivante est prête : pour l’expérience finale, les chercheurs ont besoin d’atomes de tritium individuels, qu’ils créent à partir de la fission de molécules de tritium. C’est délicat car le tritium, comme l’hydrogène, préfère former des molécules. Le développement d’une telle source – d’abord pour l’hydrogène atomique, puis pour le tritium atomique – constitue une contribution importante de l’équipe de Mayence.
À l’heure actuelle, la collaboration du Projet 8, qui comprend des membres de dix instituts de recherche du monde entier, travaille sur des modèles de tests permettant de faire passer l’expérience d’une chambre d’échantillonnage de la taille d’un pois à une chambre mille fois plus grande. Cela permettra d’enregistrer beaucoup plus d’événements de désintégration bêta. Au terme d’un programme de recherche et développement pluriannuel, l’expérience Projet 8 devrait à terme dépasser la sensibilité des expériences précédentes – comme l’expérience KATRIN actuelle – pour fournir pour la première fois une valeur de la masse des neutrinos.
Pour en savoir plus sur cette recherche, voir Le projet 8 se rapproche du neutrino insaisissable.
