Selon le modèle cosmologique standard, des neutrinos auraient été produits massivement aux premiers stades de l'évolution de l'Univers, environ une seconde après le Big-Bang, et auraient circulé ensuite librement pendant plus de 13 milliards d'années. Aujourd'hui, leur énergie aurait diminué jusqu'à un millième d'électronvolt et leur nombre moyen dans un centimètre cube ne dépasserait pas 336.

Il existe des preuves très solides de l'existence de ces particules reliques mais elles proviennent de mesures indirectes. Elles sont fournies notamment par l'observation du fond diffus cosmologique, c'est-à-dire la trace laissée par le découplage entre lumière et matière, 380.000 ans après le Big-Bang. En effet, le rayonnement, composé de photons et de neutrinos, a contribué significativement à l'expansion de l'Univers à ce moment précis et la contribution de neutrinos ultra-relativistes peut être lue sur les anisotropies du fond diffus cosmologique, observé par le satellite Planck.

Cependant, la détection directe des neutrinos reliques apporterait la preuve incontestable de l'origine primitive des neutrinos, les particules les plus abondantes dans l'Univers, et repousserait la limite temporelle d'observation du Big-Bang à quelques secondes, avec potentiellement, des surprises à la clé.

C'est le défi que souhaite relever la collaboration KATRIN (Karlsruhe tritium neutrino Experiment) en marge de sa mission principale, à savoir la mesure de la masse du neutrino (voir ci-dessous).

Comment procéder ? Les physiciens misent sur la capacité des noyaux de tritium présents dans KATRIN à capturer un neutrino relique. Cette réaction nucléaire libère de l'hélium 3 et un électron à une énergie bien définie (à détecter). Cette mesure requiert environ 100 grammes de tritium alors que KATRIN ne dispose que d'une dizaine de microgrammes. L'expérience, en l'état, ne peut donc que fixer une limite supérieure à la densité de neutrinos reliques au voisinage de la Terre – dont la gravité provoque une surdensité locale des particules recherchées.

Les données accumulées lors de deux campagnes de 2019 ne révèlent aucun signal et fixent la surdensité de neutrinos reliques à une valeur inférieure à cent milliards par cm³.

Bien qu'étant encore très loin de la sensibilité requise pour une détection, ce résultat améliore les recherches antérieures de deux ordres de grandeur.