Dans un Lettres d'examen physique étude, la collaboration HOLMES a atteint la limite supérieure la plus stricte de la masse effective des neutrinos électroniques jamais obtenue à l'aide d'une approche calorimétrique, fixant une limite inférieure à 27 eV/c² à 90 % de crédibilité.
Ce résultat valide une vision expérimentale vieille de plusieurs décennies et démontre l’évolutivité nécessaire aux expériences de masse des neutrinos de nouvelle génération.
Bien que les expériences d’oscillation aient mesuré les différences entre les états de masse des neutrinos, les valeurs réelles de masse individuelle – l’échelle absolue de masse des neutrinos – restent inconnues. Connaître ces valeurs permettrait de compléter notre compréhension du modèle standard de la physique des particules.
Les mesures cinématiques directes, qui reposent uniquement sur la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement dans les désintégrations bêta nucléaires, constituent l'approche la plus indépendante du modèle pour cette question fondamentale. L'expérience HOLMES utilise la microcalorimétrie à basse température pour mesurer la désintégration par capture électronique de l'holmium-163 (¹⁶³Ho), une technique proposée pour la première fois il y a plus de 40 ans.
Issues.fr s'est entretenu avec Angelo Nucciotti, professeur au Département de physique de l'Université de Milan-Bicocca et porte-parole de l'expérience internationale HOLMES.
« Ma passion pour ce travail a commencé pendant mon doctorat dans les années 1990, lorsque j'ai été initié au monde des détecteurs thermiques par le professeur Ettore Fiorini », a déclaré Nucciotti.
« Fiorini était un véritable pionnier qui a proposé pour la première fois d'utiliser ces détecteurs pour des événements rares, notamment la mesure de la masse des neutrinos. Aujourd'hui, après plus de 30 ans d'efforts, la publication de ce résultat sur l'holmium-163 prouve la viabilité à long terme de cette vision originale. »
Comment fonctionne l'approche calorimétrique
Les microcalorimètres sont des appareils microscopiques qui mesurent l'énergie en détectant les minuscules changements de température qui se produisent lorsque les particules sont absorbées.
L'expérience HOLMES utilise un ensemble de 64 microcalorimètres à capteur de transition (TES) fonctionnant à environ 95 mK dans un réfrigérateur à dilution ³He/⁴He. Les noyaux ¹⁶³Ho sont implantés directement dans les absorbeurs d’or de ces détecteurs supraconducteurs ultrasensibles.
Lorsque l'holmium-163 subit une désintégration par capture électronique, l'énergie libérée, à l'exception de la partie emportée par le neutrino, est absorbée par la couche d'or. Étant donné que la capacité thermique de l'absorbeur est minuscule à des températures millikelvins, même la petite énergie provenant d'une seule désintégration produit un pic de température mesurable.
« Le principe fondamental est simple : l'énergie libérée lors de la désintégration de l'holmium atteint l'absorbeur d'or, provoquant une augmentation de sa température », a expliqué Nucciotti. « Le thermomètre TES, maintenu précisément dans sa transition supraconductrice, mesure cette augmentation de température comme un changement brusque de la résistance électrique et du courant, proportionnel à l'énergie libérée. »
La signature de la masse des neutrinos apparaît comme une réduction correspondante de l'énergie maximale détectée, qui est le point final du spectre de désintégration. En mesurant précisément cette extrémité supérieure du spectre, les chercheurs peuvent déterminer la masse du neutrino.
L'Holmium-163 est idéal pour cette mesure grâce à sa faible valeur Q d'environ 2 863 eV. Étant donné que l’énergie totale disponible lors de la désintégration (valeur Q) est inférieure, la signature de masse des neutrinos devient plus importante dans le spectre. De plus, sa demi-vie d’environ 4 750 ans produit une activité spécifique plus élevée que les autres candidats, ce qui le rend plus adapté à une utilisation dans les microcalorimètres.
Permettre la précision
L’une des innovations permettant le succès de cette expérience est le système de lecture multiplexé micro-ondes évolutif. Les 64 détecteurs codent leurs signaux à différentes fréquences dans la plage de 4 à 8 GHz, ce qui leur permet de partager une infrastructure de lecture. C'est comme si plusieurs stations de radio diffusaient simultanément sur des chaînes distinctes.
Ce multiplexage en fréquence est essentiel pour les futures expériences nécessitant des milliers de détecteurs.
Les détecteurs ont atteint une résolution énergétique moyenne de 6 eV, suffisamment précise pour résoudre les caractéristiques spectrales détaillées proches du point final de désintégration où les signatures de masse des neutrinos apparaîtraient. Ce niveau de précision, limité principalement par le bruit intrinsèque du détecteur, démontre la faisabilité de l'approche calorimétrique pour mesurer la masse des neutrinos.
La production et la préparation de la source ¹⁶³Ho présentaient leurs propres défis. L'isotope n'existe pas dans la nature et doit être produit dans un réacteur nucléaire, générant un mélange complexe de sous-produits radioactifs, en particulier le contaminant problématique ¹⁶⁶ᵐHo.
« Tout d'abord, une purification chimique spécialisée est réalisée à l'aide de techniques à base de résine pour séparer l'holmium des isotopes hautement radioactifs d'autres éléments des terres rares », a expliqué Nucciotti.
« Ensuite, un système d'implantation sur mesure sélectionne le bon isotope – ¹⁶³Ho – en fonction de sa masse et l'intègre précisément dans les absorbeurs du détecteur. Cette machine devait fonctionner avec un minimum de pertes, car ¹⁶³Ho est extrêmement rare et précieux. »
Fixer une limite supérieure
« L'enregistrement de 70 millions d'événements de désintégration de ¹⁶³Ho en seulement deux mois a été le point culminant de plus d'une décennie de développement technique », a déclaré Nucciotti. « Bien que la mesure finale puisse paraître simple, chaque élément de l'expérience a dû être poussé à ses limites. »
Pour analyser les données, les chercheurs ont utilisé l'estimation des paramètres bayésiens à l'aide d'une vraisemblance de Poisson, le spectre étant analysé dans la région d'intérêt comprise entre 2 250 et 3 500 eV. Cette méthode trouve les valeurs les plus probables pour des paramètres inconnus en comparant les modèles de données prédits et observés.
L'équipe a découvert que la masse du neutrino électronique devait être inférieure à 27 eV/c² pour une crédibilité de 90 %. En termes statistiques, cela signifie que les chercheurs peuvent être sûrs à 90 % que cela représente la limite supérieure réelle de la masse.
Les simulations de Monte Carlo ont validé l'approche d'analyse, démontrant que les effets systématiques potentiels restent négligeables par rapport aux incertitudes statistiques actuelles.
« Ce résultat établit la limite la plus stricte jamais atteinte en utilisant une approche calorimétrique véritablement évolutive, une étape qui valide définitivement la viabilité et la maturité de la technologie à base d'holmium pour les expériences futures », a déclaré Nucciotti.
« Actuellement, la meilleure limite vient de KATRIN (≈ 0,45 eV/c²), qui étudie l'antineutrino électronique. Cependant, KATRIN atteint sa limite technique. »
Les expériences diffèrent fondamentalement : KATRIN mesure l'antineutrino électronique en analysant la désintégration bêta du tritium, tandis que HOLMES détermine la masse du neutrino électronique en étudiant la désintégration par capture électronique.
La comparaison de ces résultats indépendants fournit un test critique de la symétrie CPT (Charge-Parity-Time), qui nécessite que les masses des neutrinos et des antineutrinos soient identiques. Toute divergence indiquerait une physique au-delà du modèle standard.
Ce que l'avenir nous réserve
L’importance s’étend au-delà de ce résultat. L’évolutivité démontrée de la technologie ouvre la voie à l’objectif ultime : une sensibilité inférieure à l’eV.
« Cette réalisation marque le début d'une nouvelle phase pour HOLMES, axée sur une mise à l'échelle massive pour atteindre la sensibilité cible ultime dans la gamme sub-eV », a déclaré Nucciotti.
« Notre approche, basée sur la calorimétrie à l'holmium-163, offre de vastes perspectives de croissance et d'évolutivité qui, à long terme, promettent de pousser la sensibilité au-delà de l'état actuel de la technique. »
Les progrès futurs tireront parti des techniques améliorées de fabrication des détecteurs et de lecture des signaux. À mesure que la sensibilité s'améliore, les incertitudes systématiques liées à l'environnement des atomes d'holmium à l'intérieur des détecteurs nécessiteront une enquête dédiée.
Écrit pour vous par notre auteur Tejasri Gururaj, édité par Sadie Harley, et vérifié et révisé par Robert Egan, cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour maintenir en vie le journalisme scientifique indépendant. Si ce reporting vous intéresse, pensez à faire un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte en guise de remerciement.
