La collaboration KATRIN a tout récemment fait état d'une nouvelle limite supérieure de 0,8 eV/c2 sur la masse des neutrinos. Le spectromètre KATRIN présente en outre un fort potentiel pour la recherche d'éventuels nouveaux neutrinos, dits "stériles", sur la base d'une analyse fine du spectre de désintégration bêta du tritium. La collaboration vient de publier ses nouveaux résultats dans Physical Review D sur la base des deux premières campagnes de données acquises en 2019. Ces travaux ne dévoilent pas de trace de la manifestation d’un quatrième neutrino, et KATRIN pourrait bien être un acteur de premier plan pour clarifier les anomalies observées par certaines expériences d'oscillation de neutrinos depuis une vingtaine d’années.
L'expérience internationale KATRIN, qui réunit 20 laboratoires de 7 pays et est située à l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) en Allemagne, est conçue pour mesurer la masse des neutrinos avec une précision jamais atteinte auparavant. A ce titre, elle est présentée comme la "balance" la plus sensible du monde. Le principe de ce dispositif est illustré par la figure 2. Près de cent milliards d'électrons sont émis chaque seconde par la source de tritium. Autant d’antineutrinos électronique sont aussi émis (un électron et un antineutrino par désintégration) mais ne sont pas détectés. Le spectromètre, représenté sur la figure 1, filtre les électrons dont l'énergie est proche de l'énergie maximale de la désintégration (18,6 keV). Une analyse fine de la répartition de l'énergie des électrons peut être reliée aux propriétés des neutrinos grâce aux lois de conservation de la quantité de mouvement et de l'énergie.
figure1: L'expérience KATRIN d’étude des neutrinos : vue de l’intérieur du spectromètre. © La collaboration KATRIN (KIT).
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 d'énergie des électrons peut être reconstruit grâce à un détecteur pixellisé situé à l'extrémité du spectromètre, avec une résolution en énergie de 3 eV. L'analyse de ce spectre rend possible la détermination de la masse du neutrino et la recherche d'hypothétiques neutrinos stériles. © La collaboration KATRIN (KIT).
Les neutrinos sont les particules les plus abondantes dans la nature, exception faite des photons (particules de lumière). Ces infimes particules non chargées peuplent l'univers toute entier, émanent des étoiles ou des supernovæ, et sont aussi produites lors de désintégrations radioactives bêta telles que celle du tritium. Le paradigme actuel fait état de trois neutrinos, électronique, muonique et tauique. Toutefois, cette image bien établie pourrait souffrir des résultats atypiques de certaines expériences examinant les oscillations de neutrinos à courte distance (voir FM 2011 et FM 2019). S'il ne s'agit pas d'artefacts expérimentaux, alors ces quelques résultats sont essentiellement interprétés comme l'existence d'une ou plusieurs familles de neutrinos supplémentaires. Ces neutrinos hypothétiques sont dits "stériles" dans la mesure où ils n'interagiraient avec d'autres particules que par le biais de la gravité, alors que les trois saveurs connues peuvent également le faire par le biais de la force faible. Ils pourraient toutefois avoir une incidence sur les neutrinos connus en raison d'une propriété singulière que ces particules ont en commun : la capacité d' "osciller" : un neutrino stérile est susceptible de se transformer spontanément en un neutrino électron, muon ou tau, ou vice versa. C'est ainsi que les neutrinos stériles trahiraient leur existence...
Figure 3: (a) Données KATRIN de la deuxième campagne de mesure (points noirs) et meilleur ajustement d'un modèle incluant un neutrino stérile (dénoté 3ν+1). Les barres d'erreur sont réhaussées d'un facteur 50 pour améliorer la visibilité. Le meilleur ajustement du modèle incluant un neutrino stérile n'améliore que de façon marginale le bon accord obtenu sans neutrino stérile (noté 3ν). De ce fait, on ne détecte pas de neutrino stérile dans ces données. (b) Illustration d'un signal de neutrino stérile dans KATRIN. Le rapport de deux spectres simulés dans les cadres 3ν+1 et 3ν est indiqué et illustre la forme du signal recherché. (c) Représentation du temps cumulé passé à chaque valeur du potentiel de retard de la mesure intégrale. © La collaboration KATRIN.
Il est possible de contraindre la masse (notée m4) et le mélange (noté |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 traduirait par une distorsion du spectre d'énergie des électrons de la désintégration bêta. La signature serait une rupture en forme de coude dans le spectre lisse attendu des électrons du tritium, comme le montre une simulation présentée sur la figure 3 b.
Dans un article récemment publié dans Physical Review D (Phys. Rev. D 105, 072004), la collaboration KATRIN révèle les résultats de la recherche de neutrinos stériles légers de la deuxième campagne de mesure de Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN) en 2019. En s'approchant de l'activité nominale, près de 4 millions d’éléctrons de la désintégration du tritium tritium sont analysés dans une fenêtre d'énergie s'étendant jusqu'à 40 eV sous le « endpoint » à 18,57 keV.
L'analyse est sensible à un quatrième état propre de masse m4 inférieur ou de l'ordre de 40 eV et au mélange actif-stérile |Ue4|2 supérieur ou de l'ordre de 6 × 10-3. Aucun signal de neutrinos stériles n'a été observé, et la collaboration fournit ainsi de nouveaux contours d'exclusion pour m42 et |Ue4|2 à 95 % C.L. qui sont présentés dans la figure 4 ci dessous.
Les nouveaux résultats de KATRIN fournissent des contraintes bien plus strictes que les précédentes expériences de désintégration bêta de Mainz et Troitsk. Ces nouveaux résultats sont par ailleurs combinés avec ceux de la première campagne de mesure de KATRIN (voir FM 2020).
Les recherches menées par KATRIN sont complémentaires des expériences menées à proximité des réacteurs. Ces nouvelles données améliorent les limites d'exclusion fixées par les expériences d'oscillation à courte distance pour Δm412 supérieur ou de l'ordre de 10 eV2, emmenées par l'expérience Stéréo. De plus, cette nouvelle étude de KATRIN est en tension avec l'émergence d'un signal de neutrino stérile revendiqué par Neutrino-4 (ce résultat controversé est également récusé par les expériences Stéréo et Prospect). Les grandes solutions Δm412 de l'anomalie du réacteur et des anomalies du gallium (expériences Gallex/Sage et la récente expérience BEST) sont en partie écartées.
Alors que l'on pouvait anticiper une clarification des anomalies des réacteurs à brève échéance suite à la constitution de faisceaux croissants de preuves incriminant la prédiction des flux de neutrinos émis par les réacteurs nucléaires, l'anomalie du Gallium a récemment été réaffirmée en 2021 par la collaboration BEST. Désormais, seul un neutrino stérile assez lourd (Δm412 = 10-20 eV2) avec un grand mélange pourrait réconcilier l'ensemble des données.
Figure 4: Contours d'exclusion des deux premières campagnes de mesure de KATRIN, individuels et combinés (niveau de confiance de 95 %). Pour chaque contour, la région située à droite de la courbe est exclue, et la région située à gauche reste permise.
© collaboration KATRIN (KIT).
KATRIN devient ainsi la principale expérience de laboratoire en cours qui est particulièrement sensible aux solutions pertinentes encore non-exclues grâce à une analyse robuste de la forme spectrale, et largement exempte d’effets systématiques dans la gamme d'angles de mélange recherchés.
Ces nouveaux résultats n'utilisent encore qu'une modeste fraction des données qui seront disponibles à la fin de l'expérience en 2024. Les incertitudes systématiques et le bruit de fond ont déjà été largement réduits pour les données acquises à partir de l'année 2020. Une évaluation de la sensibilité finale de KATRIN (1000 jours), présentée à la figure 4, montre que la région d'intérêt des anomalies du réacteur et du gallium sera ainsi entièrement examinée d'ici l'année 2025.
Contact: Thierry Lasserre
Le rôle de l’Irfu
Au département de physique des particules de l'IRFU, Thierry Lasserre a coordonné cette analyse en collaboration avec le Max Planck Institut für Physik (Munich) et a co-coordonné cette publication pour la collaboration KATRIN.
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• Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu) • Le Département de Physique des Particules (DPhP)
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Dernière mise à jour : 21-11-2024
