La collaboration DESI vient de publier deux études, dont l’une menée par l’Irfu, portant sur la détermination de la masse des neutrinos. Ces études utilisent les données cosmologiques des grands relevés de galaxies et de quasars ainsi que du fond diffus cosmologique. Les résultats confirment que dans le cadre d’extensions au modèle cosmologique standard, la somme des masses des neutrinos reprend des valeurs positives en accord avec les limites posées par les expériences de physique des particules.
Les neutrinos cosmologiques, qui ont été créé lors du Big Bang, sont très abondants dans l’Univers : on en trouve de l’ordre de 360 par cm3, presque autant que de photons. Ils contribuent de deux façons à l’évolution de l’Univers, qui est en expansion et se refroidit au fur et à mesure que le temps cosmique s’écoule.
D’une part, du fait de l’expansion de l’Univers, les neutrinos voient leur énergie diminuer. Ils passent progressivement de l’état de particules relativistes à celui de particules non relativistes, à un moment de l’histoire de l’Univers qui dépend directement de leur masse. Cette transition des neutrinos affecte la géométrie de l’Univers : en comparant sa taille avant cette transition, mesurée avec le fond diffus cosmologique, à celle après cette transition, mesurée avec de grands relevés de galaxies et de quasars tels que DESI (encadré expliquant DESI), on peut déduire la masse des neutrinos.
D’autre part, en se propageant à des vitesses relativistes durant des milliards d’années, les neutrinos ralentissent les effondrements gravitationnels à l’origine des galaxies, des amas de galaxies et des filaments d’hydrogène. Cet effet peut notamment être détecté en étudiant les forêts Lyman-alpha des quasars (lien FM neutrinos Nov. 2014), qui permettent de visualiser ces filaments d’hydrogène en mesurant les absorptions dues à l’hydrogène dans les spectres des quasars observés par DESI.
L’équipe DESI de l’Irfu a réalisé une étude (D. Chebat et al., arXiv) sur la masse des neutrinos qui combine les différents résultats des grands relevés de galaxies et de quasars du relevé DESI, l’analyse des forêts Lyman-alpha du relevé SDSS/eEBOSS ainsi que la mesure du fond diffus cosmologique provenant du satellite Planck et de l’observatoire au sol de l’Atacama Cosmology Telescope (ACT). Cette combinaison permet d’établir une limite sur la masse des neutrinos extrêmement faible (Σmν < 0.053 eV à 95% de degré de confiance). L’analyse met en évidence que cette limite est artificiellement faible en raison de la tension entre les mesures de DESI et celles du fond diffus cosmologique. Dès que le modèle est relâché, par exemple en introduisant une énergie noire qui évolue en fonction du temps cosmique, la limite obtenue est plus grande (Σmν< 0.177 eV, voir Fig. 1). La valeur la plus probable de la masse des neutrinos prend alors une valeur positive, et la limite supérieure placée sur la somme des masses rentre en accord avec les limites inférieures posées par les paramètres mesurés avec les oscillations de neutrinos (de l’ordre de 0.06 eV)/
Masse des neutrinos
Les oscillations de saveur observées dans les flux de neutrinos atmosphériques et solaires ne permettent de mesurer que la différence des masses au carré, et non la masse absolue des neutrinos. Cela laisse deux possibilités pour l’ordre des masses, qui correspondent aux hiérarchies de masse « inversée » et « normale ». Dans l’hypothèse où la masse la plus faible est quasi nulle, la somme des masses des neutrinos prend sa valeur minimale. Dans le cas de la hiérarchie inversée, le terme le plus important de différence de masse au carré compte deux fois ; dans le cas de la hiérarchie normale, une seule fois. En pratique, cela conduit à une somme des masses d’au moins 0,10 eV pour la hiérarchie inversée et 0,06 eV pour la hiérarchie normale.
En parallèle, la collaboration DESI vient de publier dans PRL (S. Ahlen et al., arXiv) une étude montrant que les données de DESI et du fond diffus cosmologique peuvent être interprétées comme un signal de conversion de matière ordinaire en énergie noire. Dans ce modèle « CCBH » (Cosmologically Coupled Black Hole), les trous noirs sont couplés à l’expansion cosmologique de l’univers et agissent comme de l’énergie noire de ce point de vue. La formation de trous noirs lors de l’effondrement d’étoiles massives – faites de matière ordinaire – s’apparente donc dans les faits à une conversion de matière en énergie noire. Dans le cadre de ce modèle, les résultats obtenus concernant la masse des neutrinos dépendent du taux de formation d’étoiles, et la valeur la plus probable de la somme des masses des neutrinos est dans la zone de masse positive (voir Fig. 2). Plus généralement, tout modèle qui convertit suffisamment de matière en énergie noire au cours de l’évolution de l’Univers présente cette propriété.
La determination de la somme des masses des neutrinos à partir des observations astrophysiques dépend du modèle cosmologique utilisé pour décrire l’Univers. Les récentes tensions observées entre les différentes sondes pointent vers la nécessité de faire évoluer le modèle cosmologique de concordance. Fort heureusement, dans ce cadre, la somme des masses des neutrinos reprend des valeurs en accord avec les mesures de la physique des particules et le mystère de la valeur de la masse des neutrinos pourrait être bientôt percé grace aux efforts conjoints de ces deux disciplines de la physique fondamentale.
DESI
DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) est un grand relevé spectroscopique de galaxies et de quasars, mené avec le télescope Mayall de 4 m au Kitt Peak Observatory (Arizona). DESI a débuté ses observations en mai 2021, et a publié en avril 2025 l’analyse cosmologique des trois premières années de prise de données. DESI mesure simultanément les spectres lumineux de 5000 objets astrophysiques à chaque pointé du télescope, permettant ainsi de cartographier l’Univers en trois dimensions grâce à la mesure du décalage vers le rouge de chaque objet. Les spectres des quasars les plus lointains permettent par ailleurs de mesurer la position des nuages d’hydrogène intergalactiques grâce aux raies d’absorption de l’hydrogène qui forment dans ces spectres les « forêts Lyman-alpha ».
Contact : Christophe Yeche, Domitille Chebat, Etienne Burtin
Références :
Cosmological neutrino mass: a frequentist overview in light of DESI, D. Chebat et al. soumis à JCAP, https://arxiv.org/pdf/2507.12401
Positive Neutrino Masses with DESI DR2 via Matter Conversion to Dark Energy publié sur Physical Review Letter https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/yb2k-kn7h