Le modèle standard de physique des particules est l'un des exploits les plus impressionnants de la science. C'est un effort rigoureux et précis pour comprendre et décrire trois des quatre forces fondamentales de l'Univers: la force électromagnétique, la force nucléaire forte et la force nucléaire faible. La gravité est absente car jusqu'à présent, son intégration dans le modèle standard a été extrêmement difficile.
Mais il y a quelques trous dans le modèle standard, et l'un d'eux concerne la masse du neutrino.
L’existence du neutrino a été proposée pour la première fois en 1930, puis détectée en 1956. Depuis lors, les physiciens ont appris qu’il existe trois types de neutrinos, qui sont abondants et insaisissables. Seules des installations spéciales peuvent les détecter car elles interagissent rarement avec d'autres matières. Il existe plusieurs sources pour eux, et certains d'entre eux parcourent l'espace depuis le Big Bang, mais la plupart des neutrinos près de la Terre proviennent du Soleil.
Le modèle standard prédit que les neutrinos n'ont pas de masse, comme les photons. Mais les physiciens ont découvert que les trois types de neutrinos peuvent se transformer en se déplaçant. Selon les physiciens, ils ne devraient pouvoir le faire que s'ils ont de la masse.
Mais combien de masse? C’est une question qui inquiète les physiciens des particules. Et répondre à cette question fait partie de ce qui motive les scientifiques de KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment.)
«Ces résultats de la collaboration KATRIN réduisent la gamme de masse précédente pour le neutrino d'un facteur deux…»
HAMISH ROBERTSON, KATRIN SCIENTIFIQUE ET PROFESSEUR ÉMÉRITÉ DE PHYSIQUE À L'UNIVERSITÉ DE WASHINGTON.
Une équipe de chercheurs a trouvé une partie de la réponse à cela: la masse du neutrino ne peut pas être supérieure à 1,1 électron-volt (eV). Il s'agit d'une réduction de la limite supérieure de la masse d'un neutrino de près de 1 eV; de 2 eV à 1,1 eV. En s'appuyant sur des expériences précédentes qui ont fixé la limite de masse inférieure à 0,02 eV, ces chercheurs ont défini une nouvelle plage pour la masse du neutrino. Il montre qu'un neutrino a moins de 1/500 000ème de la masse d'un électron. Il s'agit d'une étape importante dans l'avancement du modèle standard.
«Connaître la masse du neutrino permettra aux scientifiques de répondre à des questions fondamentales en cosmologie, astrophysique et physique des particules…»
Hamish Robertson, scientifique KATRIN et professeur émérite de physique à l'Université de Washington.
Les chercheurs à l'origine de ces travaux proviennent de 20 institutions de recherche différentes à travers le monde. Ils travaillent avec KATRIN au Karlsruhe Institute of Technology en Allemagne. L'installation KATRIN dispose d'un spectromètre haute résolution de 10 mètres qui lui permet de mesurer les énergies des électrons avec une grande précision.
L'équipe KATRIN a présenté ses résultats lors de la conférence Topics in Astroparticle and Underground Physics 2019 à Toyama, au Japon, le 13 septembre.
"La connaissance de la masse du neutrino permettra aux scientifiques de répondre à des questions fondamentales en cosmologie, astrophysique et physique des particules, telles que la façon dont l'univers a évolué ou ce que la physique existe au-delà du modèle standard", a déclaré Hamish Robertson, scientifique KATRIN et professeur émérite de physique. à l'Université de Washington. "Ces résultats de la collaboration KATRIN réduisent la gamme de masse précédente pour le neutrino d'un facteur deux, placent des critères plus stricts sur ce qu'est réellement la masse du neutrino et fournissent une voie à suivre pour mesurer définitivement sa valeur."
Les neutrinos sont notoirement difficiles à détecter, même s'ils sont abondants. Seuls les photons sont plus abondants. Comme leur nom l’indique, ils sont électriquement neutres. Cela rend leur détection extrêmement difficile. Il existe des observatoires de neutrinos enfoncés profondément dans la glace antarctique, ainsi que profondément dans les mines abandonnées. Ils utilisent souvent de l'eau lourde pour inciter les neutrinos à interagir. Lorsqu'un neutrino interagit, il produit un rayonnement Cherenkov qui peut être mesuré.
"Si vous remplissiez le système solaire de plomb jusqu'à cinquante fois au-delà de l'orbite de Pluton, environ la moitié des neutrinos émis par le soleil quitteraient toujours le système solaire sans interagir avec ce plomb", a déclaré Robertson.
L'histoire du neutrino a évolué au fil du temps avec des expériences telles que KATRIN. À l'origine, le modèle standard prévoyait que les neutrinos n'auraient pas de masse. Mais en 2001, deux détecteurs différents ont montré que leur masse était non nulle. Le prix Nobel de physique 2015 a été décerné à deux scientifiques qui ont montré que les neutrinos peuvent osciller entre les types, montrant qu'ils ont une masse.
L'installation KATRIN mesure indirectement la masse des neutrinos. Il fonctionne en surveillant la désintégration du tritium, qui est une forme d'hydrogène hautement radioactive. À mesure que l'isotope du tritium se désintègre, il émet des paires de particules: un électron et un anti-neutrino. Ensemble, ils partagent 18 560 eV d'énergie.
Dans la plupart des cas, la paire de particules partage également les 18 560 eV. Mais dans de rares cas, l'électron absorbe la majeure partie de l'énergie, laissant très peu de neutrinos. Ces rares cas sont ceux sur lesquels les scientifiques se concentrent.
En raison de E = mC2, la petite quantité d'énergie laissée au neutrino dans ces rares cas doit également être égale à sa masse. Parce que KATRIN a le pouvoir de mesurer l'électron avec précision, il est également capable de déterminer la masse du neutrino.
"Résoudre la masse du neutrino nous mènerait dans un nouveau monde courageux de création d'un nouveau modèle standard", a déclaré Peter Doe, professeur de recherche en physique à l'Université de Washington qui travaille sur KATRIN.
Ce nouveau modèle standard que Doe mentionne peut avoir le potentiel de rendre compte de la matière noire, qui constitue la majeure partie de la matière dans l'Univers. Des efforts comme KATRIN peuvent un jour détecter un autre quatrième type de neutrino appelé neutrino stérile. Jusqu'à présent, ce quatrième type n'est qu'une conjecture, mais c'est un candidat pour la matière noire.
"Les neutrinos sont d'étranges petites particules", a déclaré Doe. "Ils sont tellement omniprésents, et il y a tellement de choses que nous pouvons apprendre une fois que nous avons déterminé cette valeur."
Il est important de montrer que les neutrinos ont une masse et de limiter la plage de cette masse. Mais les physiciens des particules ne savent toujours pas comment ils gagnent leur masse. C'est probablement différent de la façon dont les autres particules gagnent les leurs.
Des résultats comme celui-ci de KATRIN aident à combler un trou dans le modèle standard et dans notre compréhension globale de l'univers. L'Univers est plein d'anciens neutrinos du Big Bang, et chaque avancée dans la masse du neutrino nous aide à comprendre comment l'Univers s'est formé et a évolué.
Plus:
- Communiqué de presse: KATRIN réduit de moitié l'estimation de masse du neutrino insaisissable
- Institut de technologie de Karlsruhe: KATRIN
- CERN: le modèle standard
- Magazine Symmetry: Cinq mystères que le modèle standard ne peut expliquer
- MIT News: 3Q: les scientifiques rasent de moitié la masse des neutrinos
