Projet 8, ambitionne d’être les premiers à mesurer la masse des neutrinos

Le neutrino, une particule subatomique insaisissable qui traverse sans effort la matière normale, joue un rôle démesuré parmi les particules qui composent notre univers. Pour expliquer pleinement comment notre univers est né, nous devons connaître sa masse.

Une équipe internationale de chercheurs des États-Unis et d’Allemagne mène actuellement une recherche ambitieuse appelée « Projet 8 » avec pour objectif final de mesurer la masse du neutrino, ce qui constituerait une première !

Le Projet 8 pourrait aider à révéler comment les neutrinos ont influencé l’évolution précoce de l’univers tel que nous le connaissons.

Sur les traces d’un fantôme

L’équipe rapporte dans Physical Review Letters qu’elle peut utiliser une toute nouvelle technique pour suivre et enregistrer de manière fiable un phénomène naturel appelé désintégration bêta. Chaque événement émet une petite quantité d’énergie lorsqu’une variante radioactive rare de l’hydrogène – appelée tritium – se désintègre en trois particules subatomiques : un ion hélium, un électron et un neutrino.

Le succès ultime du Projet 8 repose sur un plan ambitieux. Plutôt que d’essayer de détecter le neutrino – qui traverse sans effort la plupart des technologies de détection – l’équipe de recherche a plutôt opté pour une stratégie de mesure simple qui peut être résumée comme suit :

Nous savons que la masse totale d’un atome de tritium est égale à l’énergie de ses parties, grâce à Einstein. Lorsque nous mesurons un électron libre généré par la désintégration bêta, et que nous connaissons la masse totale, l’énergie « manquante » est la masse et le mouvement du neutrino.

« En principe, avec les développements technologiques et l’augmentation de l’échelle, nous avons une chance réaliste d’entrer dans la gamme nécessaire pour déterminer la masse du neutrino« , a déclaré Brent VanDevender, l’un des principaux chercheurs du Projet 8 au Pacific Northwest National Laboratory du Département de l’Énergie.

Pourquoi le Projet 8 ?

Ces chercheurs ont choisi de poursuivre une stratégie ambitieuse parce qu’ils ont étudié les avantages et les inconvénients et ont conclu que cela pourrait fonctionner.

Talia Weiss est une étudiante diplômée en physique nucléaire à l’Université Yale. Elle et ses collègues du Projet 8 ont passé des années à comprendre comment extraire avec précision les signaux électroniques du bruit électronique de fond.

Christine Claessens est chercheuse postdoctorale à l’Université de Washington qui a obtenu son doctorat sur le Projet 8 à l’Université de Mayence, en Allemagne. Weiss et Claessens ont effectué les deux analyses finales qui ont placé des limites sur la masse du neutrino dérivées de la nouvelle technique pour la première fois.

« Le neutrino est incroyablement léger« , a déclaré Weiss. « Il est plus de 500 000 fois plus léger qu’un électron. Nous voulons donc voir ce petit effet. Nous avons donc besoin d’une méthode ultra précise pour mesurer la vitesse à laquelle les électrons se déplacent rapidement.« 

Le Projet 8 repose sur une telle technique, conçue il y a plus d’une décennie.

Une équipe internationale s’est ralliée à l’idée et a formé le Projet 8 pour convertir la vision en un outil pratique. La méthode qui en résulte s’appelle la spectroscopie d’émission de rayonnement cyclotron (CRES). Elle capture le rayonnement micro-ondes émis par les électrons nouveau-nés lorsqu’ils spiralent dans un champ magnétique.

Ces électrons emportent la plupart – mais pas toute – l’énergie libérée lors d’un événement de désintégration bêta. C’est cette énergie manquante qui peut révéler la masse du neutrino. C’est la première fois que des désintégrations bêta du tritium sont mesurées, et qu’une limite supérieure est placée sur la masse du neutrino, avec la technique CRES.

L’équipe ne s’intéresse qu’au suivi de ces électrons parce que leur énergie est la clé pour révéler la masse du neutrino. Bien que cette stratégie ait été utilisée précédemment, le détecteur CRES mesure cette énergie électronique cruciale avec le potentiel de monter en puissance au-delà de toute technologie existante. Et c’est cette extensibilité qui distingue le Projet 8.

« Personne d’autre ne fait cela« , a déclaré Novitski la professeure adjointe à l’Université de Washington. « Nous ne prenons pas une technique existante et essayons de la retoucher un peu. Nous sommes en quelque sorte dans le Far West.« 

Dans leur expérience la plus récente, construite à l’Université de Washington à Seattle, l’équipe a suivi 3 770 événements de désintégration bêta du tritium sur une période d’essai de 82 jours dans une cellule d’échantillon de la taille d’un unique pois. La cellule d’échantillon est refroidie cryogéniquement et placée dans un champ magnétique qui piège les électrons émergents suffisamment longtemps pour que les antennes d’enregistrement du système enregistrent un signal micro-onde.

Fait crucial, l’équipe n’a enregistré aucun faux signal ou événement de fond qui pourrait être confondu avec le vrai. C’est important parce que même un très petit bruit de fond peut obscurcir le signal de la masse des neutrinos, rendant l’interprétation d’un signal utile plus difficile.

Des cris aux signaux

Un sous-ensemble de chercheurs du Projet 8, dirigé par le physicien expérimental Noah Oblath du PNNL, mais impliquant une douzaine d’autres personnes dans de multiples institutions, a également développé une suite de logiciels spécialisés – chacun délicieusement nommé d’après divers insectes – pour prendre les données brutes et les convertir en signaux pouvant être analysés. Et les ingénieurs du projet ont mis leurs chapeaux de bricoleurs pour inventer les différentes pièces qui font que le Projet 8 se concrétise.

« Nous avons bien des ingénieurs qui sont cruciaux pour l’effort« , a déclaré Novitski. « C’est un peu dans les cordes d’un ingénieur. La physique expérimentale se situe à la frontière de la physique et de l’ingénierie. Vous devez obtenir la collaboration d’ingénieurs particulièrement aventureux et de physiciens pragmatiques, faire en sorte que ces choses se concrétisent parce que ce genre de choses ne se trouve pas dans les manuels.« 

Arriver à la ligne d’arrivée

Maintenant que l’équipe a montré que leur conception et leur système expérimental fonctionnent en utilisant des molécules de tritium, ils ont une autre tâche pressante devant eux.

Un sous-ensemble de l’équipe complète travaille maintenant à la prochaine étape : un système qui produira, refroidira et piégera des atomes individuels de tritium. Cette étape est délicate car le tritium, comme son cousin plus abondant l’hydrogène, préfère former des molécules. Ces molécules rendraient les objectifs ultimes de l’équipe du Projet 8 inatteignables.

Les chercheurs, dirigés par des physiciens de l’Université de Mayence, développent un banc d’essai pour créer et piéger le tritium atomique avec des réseaux complexes d’aimants qui l’empêcheront même de toucher les parois de la cellule d’échantillon – où il est presque certain de revenir à la forme moléculaire.

Cette avancée technologique, et la mise à l’échelle de tout l’appareil, seront les étapes critiques pour atteindre et finalement dépasser la sensibilité atteinte par l’équipe KATRIN.

Pour l’instant, l’équipe de recherche, qui compte des membres contributeurs de dix institutions de recherche, travaille à tester des conceptions pour mettre à l’échelle l’expérience, de la chambre d’échantillon de la taille d’un pois à une mille fois plus grande. L’idée est de capturer beaucoup plus d’événements de désintégration bêta à l’aide d’un plus grand dispositif d’écoute – passant de la taille d’un pois à celle d’un ballon de plage.

« Le Projet 8 n’est pas seulement une expérience CRES plus grande et meilleure, c’est la première expérience CRES et la toute première à utiliser jamais cette technique de détection« , a conclu Oblath. « Cela n’avait jamais été fait auparavant. La plupart des expériences ont une histoire d’au moins 50 ou 100 ans, du moins de la technique de détection qu’elles utilisent, alors que celle-ci est vraiment toute nouvelle. »

En synthèse

Le Projet 8 est une initiative ambitieuse visant à mesurer pour la première fois la masse insaisissable du neutrino, une particule subatomique fantôme qui influence grandement la composition de notre univers. En utilisant une nouvelle technique de suivi des électrons émis lors de la désintégration radioactive du tritium, l’équipe internationale espère enfin résoudre ce mystère fondamental de la physique des particules.

Pour une meilleure compréhension

Pourquoi mesurer la masse du neutrino est-il si important ?

La masse du neutrino influence la formation et l’évolution de l’univers, mais reste très mystérieuse. Sa mesure permettrait de mieux comprendre les processus cosmologiques fondamentaux.

Quelle est la stratégie du Projet 8 ?

Plutôt que de détecter directement le neutrino, le Projet 8 mesure l’énergie des électrons émis lors de la désintégration du tritium. L’énergie manquante révèle la masse du neutrino.

Quels sont les défis à relever ?

Le principal défi est de concevoir un détecteur suffisamment sensible pour mesurer de minuscules variations d’énergie électronique et de le mettre à l’échelle pour capturer plus d’événements.

Quelle est la prochaine étape cruciale ?

La production, le refroidissement et le piégeage d’atomes individuels de tritium, plutôt que de molécules, pour optimiser la détection.

Quelle nouvelle technique est utilisée ?

La spectroscopie d’émission de rayonnement cyclotron (CRES), qui capture les micro-ondes émises par les électrons en rotation.

Quels sont les enjeux cosmologiques ?

Mieux comprendre la formation des structures de l’univers primordial en déterminant l’influence des neutrinos.

Quand cette mesure cruciale sera-t-elle possible ?

Il faudra encore quelques années pour surmonter les défis technologiques, mais le Projet 8 semble prometteur.

Légende illustration principale : La spectroscopie d’émission de rayonnement cyclotronique (CRES), que l’on voit ici, est la clé d’une méthode totalement nouvelle qui vise à déterminer la masse de l’insaisissable neutrino. Credit : Alec Lindman, the Project 8 team

Références : « Tritium Beta Spectrum Measurement and Neutrino Mass Limit from Cyclotron Radiation Emission Spectroscopy » – DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.102502

Article adapté de l’auteure : Karyn Hede, PNNL