[La masse du neutrino est inférieure à 1 eV/c²]

Particules massives les plus abondantes de l’Univers, les neutrinos n’ont pas encore révélé tous leurs secrets… Ce sont des particules élémentaires de charge électrique nulle, dont il existe trois « saveurs » : électronique, muonique et tauique. Vestiges du Big Bang, ils sont aussi produits dans lors de désintégrations radioactives bêta, comme celle du tritium, un isotope de l’hydrogène.

L’expérience KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment), installée en Allemagne, cherche à mesurer directement la masse du neutrino, par l’étude du spectre de désintégration bêta du tritium. Elle vient de franchir un seuil symbolique en révélant une nouvelle limite supérieure de 0,8 eV/c² pour la masse des neutrinos.

Ce résultat revêt un intérêt fondamental tant pour la physique des particules que pour la cosmologie. En effet, l’origine de la masse des neutrinos reste encore inexpliquée par la théorie et pourrait être un élément clé pour dévoiler une nouvelle physique au-delà du modèle standard de la physique des particules. De même, à l’échelle cosmologique, les neutrinos, bien que de masse infime, jouent un rôle capital dans la répartition des galaxies. La détermination de leur masse est donc une préoccupation majeure de la physique des particules, de l’astrophysique et de la cosmologie depuis des décennies.

L’expérience internationale KATRIN utilise la désintégration bêta du tritium pour déterminer la masse du neutrino, via la distribution d’énergie des électrons libérés lors du processus de désintégration. Cette mesure de précision nécessite un effort technologique considérable: l’expérience de 70 mètres de long abrite la source de tritium la plus intense des installations de recherche fondamentale et un spectromètre géant permettant de mesurer l’énergie des électrons de désintégration avec une précision sans précédent. Suite aux premiers résultats publiés en 2019 la qualité des données a été continuellement améliorée.

Les résultats sont sans équivoque : à ce jour, aucune trace de la masse d’un neutrino n’a pu être décelée dans les données recueillies. Par conséquent, une nouvelle limite supérieure de la masse du neutrino de 0,8 eV/c² est établie. C’est la toute première fois qu’une expérience directe passe sous le seuil de l’électronvolt, une plage essentielle tant pour la physique des particules que pour la compréhension de la structure de notre cosmos. A titre de comparaison, la masse de l’électron est de 510 999 eV/c².

Les mesures de la masse des neutrinos se poursuivront jusqu’à la fin de 2024. D’autres améliorations pour atténuer encore plus le bruit de fond seront également mises en œuvre dans un nouveau système de détection (TRISTAN) qui permettra à KATRIN de se lancer dans la traque de neutrinos « stériles » possédant une masse de l’ordre du keV – un candidat pour la matière noire de l’Univers.

Pour aller plus loin:
> https://www.nature.com/articles/s41567-021-01463-1