La valeur de la masse des neutrinos est l’une des grandes énigmes de la physique. Après les photons, les neutrinos sont les particules les plus abondantes de l’Univers, mais comme ils interagissent très peu avec la matière, ils sont extrêmement difficiles à observer. Leurs masses étaient jusqu’ici inconnues
Ces particules existent en trois « modèles » qui ont la propriété de pouvoir s’interchanger au long de leur déplacement.
Vestiges du big bang et produits au cœur des étoiles, les neutrinos sont aussi émis dans certaines désintégrations radioactives, comme celle du tritium, un isotope instable de l’hydrogène. C’est grâce à ces désintégrations que l’expérience KATRIN, située à l’Institut de technologie de Karlsruhe, a tenté de déterminer la masse des neutrinos. Celle-ci s’est révélée être plusieurs millions de fois plus faible que la masse des électrons.
Le principe de l’expérience KATRIN
Il s’agit de scruter la désintégration d’un atome radioactif de tritium, qui donne lieu à l’émission d’un électron et d’un antineutrino (dont la masse est identique à celle d’un neutrino). On mesure l’énergie des électrons éjectés lors de la réaction, pour en déduire celle des neutrinos (masse et énergie sont liées, par l’équation E=mc2).
Sans en donner la valeur absolue, les scientifiques de KATRIN viennent toutefois d’annoncer un résultat important : la masse des neutrinos ne dépasse pas 0,8 eV (électronvolts, soit 1,4x 10-36 kg), selon l’article référencé ci-dessous et publié dans la revue Nature Physics
La précédente limite calculée par l’équipe en 2019, après la mise en service du dispositif, était de 1,1 eV.
L’expérience KATRIN est extrêmement sensible et performante. Le dispositif expérimental de 70 m de long abrite la source de tritium la plus intense au monde et un spectromètre géant permettant de mesurer l’énergie des électrons de désintégration avec une précision inédite.
Référence
https://www.nature.com/articles/s41567-021-01463-1
Electron-beam energy reconstruction for neutrino oscillation measurements
24 November 2021
Abstract
Neutrinos exist in one of three types or ‘flavours’—electron, muon and tau neutrinos—and oscillate from one flavour to another when propagating through space. This phenomena is one of the few that cannot be described using the standard model of particle physics (reviewed in ref. 1), and so its experimental study can provide new insight into the nature of our Universe (reviewed in ref. 2). Neutrinos oscillate as a function of their propagation distance (L) divided by their energy (E). Therefore, experiments extract oscillation parameters by measuring their energy distribution at different locations. As accelerator-based oscillation experiments cannot directly measure E, the interpretation of these experiments relies heavily on phenomenological models of neutrino–nucleus interactions to infer E. Here we exploit the similarity of electron–nucleus and neutrino–nucleus interactions, and use electron scattering data with known beam energies to test energy reconstruction methods and interaction models. We find that even in simple interactions where no pions are detected, only a small fraction of events reconstruct to the correct incident energy. More importantly, widely used interaction models reproduce the reconstructed energy distribution only qualitatively and the quality of the reproduction varies strongly with beam energy. This shows both the need and the pathway to improve current models to meet the requirements of next-generation, high-precision experiments such as Hyper-Kamiokande (Japan)3 and DUNE (USA)4.
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