Les neutrinos sont parmi les particules les plus énigmatiques de l'univers. Ils sont omniprésents mais interagissent extrêmement rarement avec la matière.
En cosmologie, ils influencent la formation de structures de galaxies à grande échelle, tandis que dans la physique des particules, leur minuscule masse sert d'indicateur de processus physiques auparavant inconnus. La mesure avec précision de la masse des neutrinos est donc essentielle pour une compréhension complète des lois fondamentales de la nature.
C'est précisément là que l'expérience de Katrin avec ses partenaires internationaux entre en jeu. Katrin utilise la décroissance bêta du tritium, un isotope d'hydrogène instable, pour évaluer la masse des neutrinos. La distribution d'énergie des électrons résultant de la désintégration permet une détermination cinématique directe de la masse des neutrinos.
L'œuvre est publiée dans la revue Science.
La réalisation de cela nécessite des composants techniques très avancés: la ligne de poutre de 70 mètres de long abrite une source de tritium intense, ainsi qu'un spectromètre haute résolution avec un diamètre de 10 mètres. Cette technologie de pointe permet une précision sans précédent dans les mesures de masse des neutrinos directes.
Avec les données actuelles de l'expérience de Katrin, une limite supérieure de 0,45 Volt / C électronique2 (correspondant à 8 x 10-37 kilogrammes) pourrait être dérivé pour la masse des neutrinos. Par rapport aux résultats de 2022, la limite supérieure pourrait ainsi être réduite de près d'un facteur de deux.
Évaluation des données
La qualité des premiers ensembles de données s'est régulièrement améliorée depuis le début des mesures en 2019.
« Pour ce résultat, nous avons analysé cinq campagnes de mesure, totalisant environ 250 jours de collecte de données de 2019 à 2021 – environ 25% du total des données attendues de Katrin », explique Kathrin Valerius (KIT), l'un des deux porte-parole de l'expérience.
Susanne Mertens (Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) et Technical University Munich (TUM)) ajoute: « À chaque campagne, nous avons acquis de nouvelles idées et optimisé les conditions expérimentales. »
L'évaluation des données extrêmement complexes a posé un énorme défi et a nécessité le plus haut niveau de précision de l'équipe internationale d'analyse des données.
« L'analyse des données de Katrin est très exigeante, car un niveau de précision sans précédent est nécessaire », souligne Alexey Lokhov (kit), coordinateur de co-analyse. Christoph Wiesinger (TUM / MPIK), coordinateur de co-analyse, ajoute: « Nous devons utiliser des méthodes d'analyse de pointe, l'intelligence artificielle jouant un rôle crucial. »
Perspectives pour les mesures futures
Les chercheurs disent: « Nos mesures de la masse des neutrinos se poursuivront jusqu'à la fin de 2025. Grâce à l'amélioration continue de l'expérience et de l'analyse, ainsi qu'un ensemble de données plus large, nous nous attendons à une sensibilité encore plus élevée – et peut-être de nouvelles découvertes révolutionnaires », explique l'équipe de Katrin.
Katrin mène déjà le champ global des mesures de masse directe des neutrinos et a dépassé les résultats des expériences précédentes d'un facteur de quatre avec ses données initiales. Les dernières découvertes indiquent que les neutrinos sont au moins un million de fois plus légers que les électrons, les particules élémentaires les plus légères chargées électriquement. Expliquer cette énorme différence de masse reste un défi fondamental pour la physique théorique des particules.
En plus de la mesure précise de la masse des neutrinos, Katrin prévoit déjà la phase suivante. À partir de 2026, un nouveau système de détecteur, Tristan, sera installé.
Cette mise à niveau de l'expérience permettra la recherche d'une particule stérile et hypothétique qui interagit encore plus faiblement que les neutrinos connus.
Avec une masse dans le kev / c2 La gamme, les neutrinos stériles sont un candidat potentiel pour la matière noire. De plus, Katrin ++ lancera un programme de recherche et développement visant à concevoir des concepts pour une expérience de nouvelle génération capable d'atteindre des mesures de masse directe des neutrinos directes encore plus précises.
