18 décembre 2020
KATRIN : une balance encore non stérilisée !
KATRIN : une balance encore non stérilisée !

Figure 1: photo de l’intérieur du spectromètre de l’expérience KATRIN. Crédit : KATRIN collaboration.

 

L'objectif principal de l'expérience KATRIN est la mesure de la masse des trois neutrinos du modèle standard de la physique des particules. Mais l'analyse du spectre de décroissance bêta du tritium permet également de rechercher la trace d'un hypothétique quatrième neutrino, appelé neutrino stérile. La collaboration vient de soumettre pour publication la première analyse (voir article) à partir de quatre semaines de données acquises en 2019. Pas de trace de ce quatrième neutrino, mais ce n'est qu'un début car la sensibilité va rapidement s'améliorer. Le spectromètre KATRIN démontre un fort potentiel pour étudier cette possible nouvelle facette du neutrino.

 

L'expérience KATRIN

 

L'expérience internationale KATRIN, composée de 20 instituts provenant de 7 pays et située à l'Institut de Technologie de Karlsruhe (KIT) en Allemagne, est destinée à mesurer la masse des neutrinos avec une précision sans précédent. Elle est ainsi parfois considérée comme la "balance" la plus précise au monde (voir figure 1).

Le principe de fonctionnement de l'expérience est montré en figure 2. Pour 60 milliards d'électrons par seconde émis par la source, le spectromètre trie ceux dont l’énergie est proche de l’énergie maximum du spectre bêta, et seuls 2 millions d’électrons sont gardés pour l’analyse.

Après avoir relevé de nombreux défis technologiques entre 2001 et 2018, l’expérience de 70 m de long a commencé à prendre des données en 2019. L'analyse approfondie d’une première campagne scientifique correspondant à 4 semaines de prise de données a contraint la masse des neutrinos à moins de 1,1 eV (voir article correspondant). Il s’agit désormais de la meilleure mesure directe de la masse du neutrino (voir FM Irfu KATRIN 2019).

 

 

Figure 2: schéma de l'installation KATRIN. Une source gazeuse contient des molécules de di-tritium (3H-3H), dont les noyaux se désintègrent par radioactivité bêta en hélium 3 (3He) pour émettre des électrons (e-) et des antineutrinos électroniques. Les électrons sont transportés vers le spectromètre qui sélectionne ceux dont l’énergie dépasse une valeur prédéfinie (appelée potentiel de retard) avant qu'ils n'atteignent le détecteur. En faisant varier la valeur du potentiel de retard, le spectre en énergie des électrons peut être reconstruit grâce à un détecteur pixelisé situé au bout du spectromètre, avec une résolution en énergie de 3 eV. L’analyse fine de ce spectre permet de contraindre la masse du neutrino et la recherche d’hypothétiques neutrinos stériles. Crédit: KATRIN Collaboration adapté par APS/Alan Stonebraker.

 

 

 

Les neutrinos stériles

   
Le paradigme actuel fait état de trois neutrinos, électronique, muonique, et tauique. Cependant, cette image bien établie pourrait souffrir de résultats anormaux issus de certaines expériences examinant les oscillations de neutrino à courte distance (voir FM Irfu RAA de 2011 et FM Irfu Stéréo de 2019). S'il ne s'agit pas d'artefacts expérimentaux, ces résultats peuvent être alors interprétés comme l'existence d’une ou de plusieurs famille(s) de neutrinos supplémentaire(s), principalement stériles, et se mélangeant aux trois saveurs actives connues tout en restant insensibles à l’interaction faible.

 

La recherche de neutrinos stériles dans KATRIN

 

Il est également possible de contraindre la masse (m4) et le mélange (|Ue4|2) d'un hypothétique neutrino stérile avec les données de l’expérience KATRIN. En effet, un nouvel état de masse du quatrième neutrino se manifesterait par une déformation du spectre en énergie des électrons de désintégration bêta. La signature serait une cassure en forme de coude se détachant sur le spectre lisse attendu des électrons du tritium, comme on peut le voir dans une simulation présentée en figure 3 b.

Figure 3 : a) Spectre des électrons du tritium comprenant 4 semaines de données. L'énergie des électrons mesurés est ici exprimée relativement à l'énergie de décroissance bêta du tritium (ou énergie de "endpoint" en anglais, égale à 18574 eV ici). b) Rapport des points de données KATRIN au spectre prédit dans un modèle à 3 neutrinos actifs. La simulation d'une empreinte arbitraire d'un quatrième neutrino stérile sur le spectre est indiquée par la ligne rouge. c) Distribution du temps de mesure par intervalle d'énergie. Crédit : KATRIN collaboration.

 

 

Premier résultat de KATRIN

 

Dans l'article qui vient tout juste d’être soumis pour publication, la collaboration KATRIN présente une première recherche de la signature d'un neutrino stérile. Le jeu de données analysé est identique à celui utilisé pour la mesure de la masse du neutrino en 2019. Cette recherche comprend ainsi 1,5 million d’électrons provenant de la désintégration bêta du tritium, et 0,4 million d’électrons utilisés pour caractériser le bruit de fond. Dans cette analyse, le rapport signal/bruit peut atteindre 70, bien au-delà de ce qui est habituellement atteint dans les expériences d’oscillations auprès des réacteurs (de l'ordre de 1). Cette première étude de KATRIN est sensible aux valeurs de masse m4 (≈√Δm241 car m1 ? 1 eV) allant d’environ 2 à 40 eV, et aucun signal de neutrinos stériles significatif n'est observé (voir figure 3 b). Ainsi, de nouvelles limites d'exclusion sont obtenues (voir figure 4). Ce résultat améliore les limites fixées par les précédentes expériences de cinématique directe menées à Mayence (Allemagne) et à Troitsk (Russie) à la fin des années 90.

 

Figure 4 : Courbes d'exclusion obtenues à partir des données KATRIN. Pour chacune d'entre elle, la région située à droite de la courbe est exclue, et la région située à gauche reste permise. L'intérieur du contour vert délimite les oscillations de neutrinos, dans un modèle à 3 saveurs actives et une saveur stérile, permises par les anomalies réacteurs et Gallium. Les résultats de KATRIN améliorent l'exclusion des valeurs élevées de m4 par rapport aux mesures des expériences menées auprès des réacteurs (Stéréo, DANSS, PROSPECT, etc.). Les courbes d'exclusion des expériences similaires à KATRIN, Mainz et Troitsk sont également dessinées. Une estimation de la sensibilité finale de KATRIN est représentée par la ligne pointillée. Les bandes grises délimitent les exclusions des expériences de désintégration double bêta. Crédit : KATRIN collaboration.

 

 

Comparaison aux expériences d'oscillation de neutrinos

 

Cette recherche menée par KATRIN est complémentaire aux expériences sur réacteur et améliore leurs contraintes dans le régime des grandes masses  (>10 eV). Par ailleurs, une fraction importante de l’espace des paramètres possibles indiqué par les anomalies (réacteur et Gallium, voir FM Irfu RAA) est exclue, essentiellement pour les grandes masses de quatrième neutrino. Ce résultat montre le potentiel de KATRIN à sonder l'hypothèse des neutrinos stériles avec les mêmes données recueillies qui ont servi à contraindre la masse des neutrinos actifs.

 

Le rôle de l'Irfu

 

Au département de physique des particules de l’Irfu, Thierry Lasserre a coordonné l’analyse pour l’ensemble de la collaboration KATRIN, en établissant une stratégie innovante de traitement des données. En collaboration avec le Max Planck Institut für Physik (Munich), il a également mis au point une nouvelle chaîne d'analyse complète utilisant l'approche des matrices de covariance pour étudier et propager les erreurs systématiques et leurs corrélations. Cette analyse vient d’être soumise pour publication dans une revue à comité de lecture et par ailleurs postée sur le serveur de publications en libre accès arXiv.

 

Une recherche à suivre

 

Ces premiers résultats n’ont utilisé qu’une faible fraction (quelques pourcents) de la statistique qui sera disponible au terme de l’expérience, en 2024. En parallèle, de nombreux efforts sont en cours pour réduire les incertitudes systématiques et le bruit de fond, ce dernier étant un facteur limitant pour sonder les zones les plus pertinentes des anomalies (quatrième neutrino de faible masse). Une estimation de la sensibilité finale de KATRIN (1000 jours) est représentée par la ligne pointillée de la figure 4. Une grande partie de la région d'intérêt des anomalies de réacteurs et de gallium sera ainsi testée pour faire la lumière sur l'existence de mélanges stériles de neutrinos.

 

Contact: Thierry Lasserre

 
#4866 - Màj : 04/01/2021

 

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