Dans les années 1930, le concept de neutrinos est apparu pour expliquer le manque d’énergie et d’impulsion dans la désintégration nucléaire bêta, conduisant à leur confirmation expérimentale en 1956. Ces particules fantomatiques, interagissant à peine avec la matière, nous traversent inaperçues depuis des sources cosmiques comme le soleil. Des recherches avancées ont montré que les neutrinos oscillent entre les types et possèdent une masse, contredisant les théories précédentes et suggérant une physique inconnue. Crédit : Issues.fr.com
La découverte et les recherches en cours sur les neutrinos ont considérablement modifié les concepts fondamentaux de la physique des particules, mettant en évidence la masse des particules et remettant en question les précision du modèle standard.
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.
Oscillations des neutrinos et le défi du modèle standard
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 imposé une masse au repos aux neutrinos – une indication supplémentaire qu'une nouvelle physique doit exister au-delà du modèle standard.
Mesurer la masse des neutrinos par désintégration bêta
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 superlourd se désintègre en proton et émet un électron et un neutrino, transformant ainsi l'hydrogène. atome en hélium plus léger. Ce processus est « pesé » par l’expérience KATRIN de l’Institut technologique de Karlsruhe.
Capture d'électrons et mesure d'énergie dans la recherche sur les neutrinos
« 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. Selon E = mc2 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.
Une balance atomique extrêmement précise : PENTATRAP est constitué de cinq pièges de Penning disposés les uns au dessus des autres (tour jaune au milieu). Dans ces pièges construits de manière identique, les ions dans l’état quantique excité et dans l’état fondamental peuvent être mesurés en comparaison. Afin de minimiser les incertitudes, les ions sont également déplacés entre différents pièges pour des mesures comparatives. Crédit : MPIK
Techniques avancées de mesure de masse
« 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 aussi précisément que possible à l'aide d'une méthode alternative et de la comparer avec la valeur déterminée par calorimétrie 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 dits 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.
Implications des mesures de masse des neutrinos
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 a rendu leur « danse en cercle » considérablement plus rapide.
« Si tout fonctionne, une mesure ne prendra que quelques semaines », explique Schweiger.
L'avenir de la recherche sur la masse des neutrinos
Grâce aux différences de masse résultant de diverses mesures de fréquence, les scientifiques de Heidelberg ont finalement pu déterminer, via E = mc2, 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 multiparticulaire, 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 estimée des masses dans l'univers arrive même à une limite supérieure nettement inférieure des masses des neutrinos, soit 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 obtenus à Heidelberg constituent une avancée majeure vers la résolution du mystère des masses des neutrinos.
