La détermination de la masse –infime- des neutrinos est une préoccupation majeure des chercheurs depuis des décennies. Les résultats qui viennent d'être publiés dans Nature Physics sont sans équivoque : à ce jour, aucune trace de la masse d'un neutrino n'a pu être décelée dans les données recueillies par l’expérience internationale KATRIN, qui offrent à ce jour une limite de détection à 0,8 eV. Cette valeur devient donc la nouvelle limite supérieure de la masse du neutrino. Et c'est la toute première fois qu'une expérience établit cette limite sous le seuil de l’électronvolt en laboratoire.
Une masse inexpliquée
Les neutrinos, particules dotées d’une masse les plus abondantes de l'Univers (un milliard par atome), sont pour la plupart issues du Big-Bang ou de la combustion du cœur des étoiles et jouent un rôle capital dans la répartition des galaxies. Mais elles sont aussi produites dans certaines désintégrations radioactives, comme celle du tritium. Or, si l’on sait depuis 1998 que les neutrinos possèdent une masse, celle-ci reste inexpliquée. Sa mesure pourrait donc être un élément clé d’une nouvelle physique, au-delà du modèle standard utilisé par les physiciens depuis les années 1970.
C'est pourquoi des physiciens internationaux ont mis au point et utilisent depuis 2019 l'expérience KATRIN. Celle-ci, située à l'Institut de technologie de Karlsruhe, regroupe des partenaires de six pays, dont le CEA. KATRIN utilise la désintégration bêta du tritium pour déterminer la masse du neutrino en observant la distribution d'énergie des électrons libérés lors de ce processus. Cette mesure de précision nécessite un effort technologique considérable : l'expérience abrite la source de tritium la plus intense au monde pour la recherche fondamentale et un spectromètre géant capable de mesurer l'énergie des électrons de désintégration avec une précision sans précédent.
Le CEA a joué un rôle majeur dans l'analyse et l'interprétation des données recueillies, en concevant et mettant en œuvre l'architecture globale de cette analyse, qui inclut de nombreuses étapes pour vérifier la robustesse des résultats. Par ailleurs, le CEA a réalisé l'une des trois analyses indépendantes qui ont conduit à cette nouvelle limite de 0,8 eV.
À la recherche des neutrinos stériles
Les mesures de la masse des neutrinos vont se poursuivre jusqu'à la fin de 2024, afin d'augmenter la quantité de données, et de mettre en œuvre des améliorations pour atténuer davantage le bruit de fond. La masse des neutrinos, si elle est supérieure à la limite de détection de KATRIN, qui sera alors située à 0,2 eV, devrait alors être établie avec précision. Puis TRISTAN, un nouveau système de détection sur lequel a travaillé le CEA, permettra à KATRIN de se lancer à partir de 2025 dans la recherche de neutrinos « stériles » lourds. Ces particules hypothétiques, nommées ainsi car elles interagissent encore moins avec la matière « ordinaire » que les neutrinos pesés par KATRIN et sont plus massives (de l’ordre du keV), seraient de bons candidats pour constituer la matière noire.