L’expérience KATRIN limite la masse des neutrinos avec une précision sans précédent

Les neutrinos sont sans doute la particule élémentaire la plus fascinante de notre univers. En cosmologie, ils jouent un rôle important dans la formation de structures à grande échelle, tandis qu’en physique des particules, leur masse minuscule mais non nulle les distingue, indiquant de nouveaux phénomènes physiques au-delà de nos théories actuelles. Sans une mesure de l’échelle de masse des neutrinos, notre compréhension de l’univers restera incomplète.

C’est le défi que l’expérience internationale KATRIN à l’Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) avec des partenaires de six pays a relevé en tant qu’échelle la plus sensible au monde pour les neutrinos. Il utilise la désintégration bêta du tritium, un isotope instable de l’hydrogène, pour déterminer la masse du neutrino via la distribution d’énergie des électrons libérés lors du processus de désintégration. Cela nécessite un effort technologique majeur : l’expérience de 70 mètres de long abrite la source de tritium la plus intense au monde ainsi qu’un spectromètre géant pour mesurer l’énergie des électrons de désintégration avec une précision sans précédent.

La haute qualité des données après le démarrage des mesures scientifiques en 2019 a été continuellement améliorée au cours des deux dernières années. « KATRIN est une expérience aux exigences technologiques les plus élevées et fonctionne maintenant comme une horloge parfaite » s’enthousiasme Guido Drexlin (KIT), le chef de projet et l’un des deux co-porte-parole de l’expérience. Christian Weinheimer (Université de Münster), l’autre co-porte-parole, ajoute que “l’augmentation du débit du signal et la réduction du bruit de fond ont été déterminantes pour le nouveau résultat”.

L’analyse des données

L’analyse approfondie de ces données demandait tout à l’équipe d’analyse internationale dirigée par ses deux coordinatrices, Susanne Mertens (Max Planck Institute for Physics et TU Munich) et Magnus Schlösser (KIT). Chaque effet, aussi minime soit-il, devait être étudié en détail. “Ce n’est que par cette méthode laborieuse et complexe que nous avons pu exclure un biais systématique de nos résultats dû à des processus de distorsion. Nous sommes particulièrement fiers de notre équipe d’analyse qui a relevé avec succès cet énorme défi avec un grand engagement”, se réjouissent les deux coordinateurs d’analyse. signaler.

Les données expérimentales de la première année de mesures et la modélisation basée sur une masse de neutrino infiniment petite concordent parfaitement : à partir de là, une nouvelle limite supérieure de la masse de neutrino de 0,8 eV peut être déterminée (Physique naturelle, juillet 2021). C’est la première fois qu’une expérience directe sur la masse des neutrinos entre dans la gamme de masse sub-eV importante sur le plan cosmologique et physique des particules, où l’on soupçonne que se trouve l’échelle de masse fondamentale des neutrinos. “La communauté de la physique des particules est ravie que la barrière de 1 eV ait été franchie par KATRIN”, commente l’expert en neutrinos John Wilkerson (Université de Caroline du Nord, président du conseil d’administration).

Susanne Mertens explique le chemin vers le nouveau record : “Notre équipe du MPP à Munich a développé une nouvelle méthode d’analyse pour KATRIN qui est spécialement optimisée pour les exigences de cette mesure de haute précision. Cette stratégie a été utilisée avec succès pour les années passées et actuelles Mon groupe est très motivé : nous continuerons à relever les défis futurs de l’analyse KATRIN avec de nouvelles idées créatives et une précision méticuleuse.”

D’autres mesures devraient améliorer la sensibilité

Les co-porte-parole et les coordinateurs d’analyse de KATRIN sont très optimistes quant à l’avenir : « D’autres mesures de la masse des neutrinos se poursuivront jusqu’à la fin de 2024. Pour réaliser le plein potentiel de cette expérience unique, nous allons non seulement augmenter régulièrement les statistiques de signaler des événements, nous développons et installons en permanence des améliorations pour réduire davantage le taux de bruit de fond.”

Le développement d’un nouveau système de détection (TRISTAN) y joue un rôle spécifique, permettant à KATRIN de se lancer dès 2025 dans la recherche de neutrinos “stériles” de masses de l’ordre du kiloélectronvolt, candidat à la mystérieuse matière noire du cosmos. qui s’est déjà manifestée dans de nombreuses observations astrophysiques et cosmologiques, mais dont la nature physique des particules est encore inconnue.

Source de l’histoire :

Matériaux fourni par Institut Max Planck de physique. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.