Les chercheurs du projet 8 utilisent une technique pionnière, la spectroscopie d’émission de rayonnement cyclotronique, dans leur effort ambitieux visant à déterminer la masse insaisissable du neutrino, ce qui pourrait avoir des implications pour notre compréhension de l’univers.
Le projet 8 marque une étape majeure dans sa quête pour mesurer la masse des neutrinos.
L’humble neutrino, une particule subatomique insaisissable qui traverse sans effort la matière normale, joue un rôle démesuré parmi les particules qui composent notre univers. Pour expliquer pleinement comment notre univers est né, nous devons connaître sa masse. Mais, comme beaucoup d’entre nous, cela évite d’être pesé.
Aujourd’hui, une équipe internationale de chercheurs des États-Unis et d’Allemagne menant une quête ambitieuse appelée Projet 8 rapporte que leur stratégie distinctive est un prétendant réaliste pour être le premier à mesurer la masse des neutrinos. Une fois pleinement mis à l’échelle, le projet 8 pourrait aider à révéler comment les neutrinos ont influencé les débuts de l’évolution de l’univers tel que nous le connaissons.
En 2022, l’équipe de recherche KATRIN a fixé une limite supérieure au poids potentiel du neutrino. Cette étape importante a été un tour de force qui a duré des décennies. Mais ces résultats ne font que réduire la fenêtre de recherche. KATRIN atteindra bientôt et pourrait même un jour dépasser ses limites de détection ciblées, mais le neutrino poids plume pourrait être encore plus léger, ce qui soulève la question : « Quelle est la prochaine étape ?
La spectroscopie d’émission de rayonnement cyclotronique (CRES), vue ici, est la clé d’une méthode totalement nouvelle visant à déterminer la masse de l’insaisissable neutrino. Crédit : Alec Lindman, l’équipe du Projet 8
Tracer une particule fantomatique
Dans leur étude la plus récente, l’équipe du Projet 8 rapporte dans la revue Lettres d’examen physique qu’ils peuvent utiliser une toute nouvelle technique pour suivre et enregistrer de manière fiable un phénomène naturel appelé désintégration bêta. Chaque événement émet une infime quantité d’énergie lorsqu’une variante radioactive rare de l’hydrogène, appelée tritium, se désintègre en trois particules subatomiques : un ion hélium, un électron et un neutrino.
Le succès ultime du Projet 8 dépend d’un plan ambitieux. Plutôt que d’essayer de détecter le neutrino – qui traverse sans effort la plupart des technologies de détection – l’équipe de recherche a plutôt opté pour une stratégie de mesure simple qui peut être résumée comme suit :
On connaît la masse totale d’un tritium atome est égale à l’énergie de ses parties, grâce à Einstein. Lorsque nous mesurons un électron libre généré par la désintégration bêta et que nous connaissons la masse totale, l’énergie « manquante » est la masse et le mouvement du neutrino.
« En principe, grâce aux développements technologiques et à leur mise à l’échelle, nous avons une chance réaliste d’atteindre la plage nécessaire pour déterminer la masse des neutrinos », a déclaré Brent VanDevender, l’un des principaux chercheurs du projet 8 au Pacific Northwest National du ministère de l’Énergie. Laboratoire.
Pourquoi le Projet 8 ?
Ces chercheurs ont choisi de suivre une stratégie ambitieuse parce qu’ils ont pesé le pour et le contre et conclu qu’elle pouvait fonctionner.
Talia Weiss est étudiante diplômée en physique nucléaire à Université de Yale. Elle et ses collègues du Projet 8 ont passé des années à trouver comment distinguer avec précision les signaux électroniques du bruit de fond électronique. Christine Claessens est associée postdoctorale au Université de Washington qui lui a valu un doctorat. sur le projet 8 à l’Université de Mayence, en Allemagne. Weiss et Claessens ont effectué les deux analyses finales qui ont fixé pour la première fois des limites à la masse des neutrinos dérivées de la nouvelle technique.
« Le neutrino est incroyablement léger », a déclaré Weiss. « C’est plus de 500 000 fois plus léger qu’un électron. Ainsi, lorsque des neutrinos et des électrons sont créés en même temps, la masse du neutrino n’a qu’un effet minime sur le mouvement de l’électron. Nous voulons voir ce petit effet. Nous avons donc besoin d’une méthode extrêmement précise pour mesurer la vitesse à laquelle les électrons se déplacent.
Le projet 8 repose précisément sur une telle technique, conçue il y a plus de dix ans par les physiciens Joe Formaggio et Ben Monreal, qui travaillaient alors au Massachusetts Institute of Technology. Une équipe internationale s’est ralliée à l’idée et a formé le projet 8 pour transformer la vision en un outil pratique. La méthode résultante est appelée spectroscopie d’émission de rayonnement cyclotron (CRES). Il capture le rayonnement micro-ondes émis par les électrons nouveau-nés lorsqu’ils tournent en spirale dans un champ magnétique. Ces électrons emportent la majeure partie, mais pas la totalité, de l’énergie libérée lors d’un événement de désintégration bêta. C’est cette énergie manquante qui peut révéler la masse du neutrino. C’est la première fois que les désintégrations bêta du tritium sont mesurées et qu’une limite supérieure est fixée à la masse des neutrinos avec la technique CRES.
Comment les scientifiques peuvent-ils peser un neutrino ? Crédit : Animation de Sara Levine pour le Pacific Northwest National Laboratory
Approches innovantes et défis
L’équipe ne s’intéresse qu’au suivi de ces électrons, car leur énergie est essentielle pour révéler la masse des neutrinos. Bien que cette stratégie ait déjà été utilisée, le détecteur CRES mesure cette énergie électronique cruciale avec le potentiel d’évoluer au-delà de toute technologie existante. Et cette évolutivité est ce qui distingue le Project 8. Elise Novitski est professeure adjointe à l’Université de Washington et a dirigé de nombreux aspects des travaux récemment publiés.
« Personne d’autre ne fait ça », a déclaré Novitski. « Nous ne prenons pas une technique existante et n’essayons pas de la modifier un peu. Nous sommes un peu dans le Far West.
Dans leur expérience la plus récente, construite à l’Université de Washington à Seattle, l’équipe a suivi 3 770 événements de désintégration bêta du tritium sur une fenêtre d’essai de 82 jours dans une cellule d’échantillon de la taille d’un seul pois. La cellule d’échantillon est refroidie cryogéniquement et placée dans un champ magnétique qui piège les électrons émergents suffisamment longtemps pour que les antennes d’enregistrement du système enregistrent un signal micro-ondes.
Surtout, l’équipe n’a enregistré aucun faux signal ou événement de fond qui pourrait être confondu avec la réalité. C’est important car même un très petit arrière-plan peut obscurcir le signal de la masse du neutrino, ce qui rend plus difficile l’interprétation du signal utile.
Des gazouillis aux signaux
Un sous-ensemble de chercheurs du Projet 8, dirigé par Noah Oblath, physicien expérimental du PNNL, mais impliquant une douzaine d’autres personnes dans plusieurs institutions, a également développé une suite de logiciels spécialisés, chacun portant un nom délicieux d’après divers insectes.(1)-pour prendre les données brutes et les convertir en signaux pouvant être analysés. Et les ingénieurs du projet ont enfilé leur chapeau de bricoleur pour inventer les différentes pièces qui composent le projet 8.
« Nous avons des ingénieurs qui jouent un rôle crucial dans cet effort », a déclaré Novitski. « C’est un peu différent du point de vue d’un ingénieur. La physique expérimentale se situe en quelque sorte à la frontière de la physique et de l’ingénierie. Il faut que des ingénieurs particulièrement aventureux et des physiciens à l’esprit pratique collaborent pour que ces choses voient le jour, car ces choses ne figurent pas dans les manuels.
Arriver à la ligne d’arrivée
Maintenant que l’équipe a démontré le fonctionnement de son système de conception et d’expérimentation utilisant des molécules de tritium, une autre tâche urgente l’attend. Un sous-ensemble de l’équipe entière travaille actuellement sur la prochaine étape : un système qui produira, refroidira et piégera des atomes individuels de tritium. Cette étape est délicate car le tritium, comme son cousin l’hydrogène, plus abondant, préfère former des molécules. Ces molécules rendraient irréalisables les objectifs ultimes de l’équipe du Projet 8. Les chercheurs, dirigés par des physiciens de l’Université de Mayence, développent un banc d’essai pour créer et piéger le tritium atomique avec des réseaux complexes d’aimants qui l’empêcheront même de toucher les parois de la cellule d’échantillon, où il est presque certain de revenir au tritium moléculaire. formulaire.
Cette avancée technologique et la mise à l’échelle de l’ensemble de l’appareil constitueront des étapes critiques pour atteindre et finalement dépasser la sensibilité atteinte par l’équipe KATRIN.
Pour l’instant, l’équipe de recherche, composée de membres de dix instituts de recherche, 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. L’idée est de capturer beaucoup plus d’événements de désintégration bêta à l’aide d’un appareil d’écoute plus gros, allant de la taille d’un pois à un ballon de plage.
« Le projet 8 n’est pas seulement une expérience CRES plus grande et meilleure, c’est la première expérience CRES et la toute première à utiliser cette technique de détection », a déclaré Oblath. « Il n’avait jamais été fait auparavant. La plupart des expériences ont une histoire de 50 ou 100 ans, du moins en ce qui concerne la technique de détection qu’elles utilisent, alors que celle-ci est vraiment toute nouvelle.
Remarques
- La suite logicielle spécialement développée par les enquêteurs travaillant sur le projet 8 comprend Morpho, Locust, Katydid, Psyllid et Dragonfly.
Chaque enquêteur de l’équipe du Projet 8 apporte des compétences complémentaires à l’effort de groupe. Une liste complète des collaborateurs est disponible sur le site Web du Projet 8.
Le projet 8 est soutenu par l’Office of Science du Département américain de l’énergie, l’Office of Nuclear Physics, la National Science Foundation, la Fondation allemande pour la recherche PRISMA+ Cluster of Excellence et des investissements internes de toutes les institutions collaboratrices.
