L’expérience « Ghost Particle » réduit la masse des neutrinos avec une précision sans précédent

Les neutrinos sont plus légers que 0,8 électron-volt

Nouveau record mondial : L’expérience KATRIN limite la masse d’un neutrino avec une précision sans précédent.

Les neutrinos sont sans doute les particules élémentaires les plus étonnantes de notre monde. En cosmologie, ils jouent un rôle important dans la formation de structures à grande échelle, tandis qu’en physique des particules, leur masse faible mais non nulle les sépare les uns des autres, indiquant de nouveaux phénomènes physiques au-delà de nos théories actuelles. Sans mesurer l’échelle de masse des neutrinos, notre compréhension de l’univers restera incomplète.

C’est le défi international karlsruhe TRtemps nL’expérience eutrino (KATRIN) à l’Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) avec des partenaires de six pays est le compteur de neutrinos le plus sensible au monde. Il utilise la désintégration bêta du tritium, un isotope instable de l’hydrogène, pour déterminer la masse d’un neutrino via la distribution d’énergie des électrons libérés lors du processus de désintégration. Cela nécessite un effort technique important : l’expérience de 70 mètres comprend la source de tritium la plus dense au monde ainsi qu’un spectromètre géant pour mesurer l’énergie des électrons de désintégration avec une précision sans précédent.

Montage des électrodes dans le spectromètre principal de l’expérience KATRIN. Crédit : Joachim Wolf/KIT

La haute qualité des données après le début des mesures scientifiques en 2019 a été continuellement améliorée au cours des deux dernières années. « KATRIN est une expérience avec les exigences technologiques les plus élevées et fonctionne désormais comme la montre parfaite », s’enthousiasme Guido Drexlin (KIT), chef de projet et l’un des intervenants impliqués dans l’expérience. Christian Weinheimer ([{ » attribute= » »>University of Münster), the other co-spokesperson, adds that “the increase of the signal rate and the reduction of background rate were decisive for the new result.”

Data analysis

The in-depth analysis of this data was demanding everything from the international analysis team led by its two coordinators, Susanne Mertens (Max Planck Institute for Physics and TU Munich) and Magnus Schlösser (KIT). Each and every effect, no matter how small, had to be investigated in detail. “Only by this laborious and intricate method we were able to exclude a systematic bias of our result due to distorting processes. We are particularly proud of our analysis team which successfully took up this huge challenge with great commitment,” the two analysis coordinators are pleased to report.

The 70 meter long KATRIN experiment with its main components tritium source, main spectrometer and detector. Credit: Leonard Köllenberger/KATRIN Collaboration

The experimental data from the first year of measurements and the modeling based on a vanishingly small neutrino mass match perfectly: from this, a new upper limit on the neutrino mass of 0.8 eV can be determined (Nature Physics, July 2021). This is the first time that a direct neutrino mass experiment has entered the cosmologically and particle-physically important sub-eV mass range, where the fundamental mass scale of neutrinos is suspected to be. “The particle physics community is excited that the 1-eV-barrier has been broken by KATRIN,” comments neutrino expert John Wilkerson (University of North Carolina, Chair of the Executive Board).

Susanne Mertens explains the path to the new record: “Our team at the MPP in Munich has developed a new analysis method for KATRIN that is specially optimized for the requirements of this high-precision measurement. This strategy has been successfully used for past and current results. My group is highly motivated: We will continue to meet the future challenges of KATRIN analysis with new creative ideas and meticulous accuracy.”

Des mesures supplémentaires devraient améliorer la sensibilité

Les porte-parole et les coordinateurs d’analyse de KATRIN sont très optimistes quant à l’avenir : « Des mesures supplémentaires de la masse des neutrinos se poursuivront jusqu’à la fin de 2024. Pour réaliser le plein potentiel de cette expérience unique, nous n’augmenterons pas seulement les statistiques des événements de signal, nous développons constamment et l’installation d’améliorations pour réduire davantage le taux de fond. »

Le développement du nouveau système de détection (TRISTAN) y joue un rôle déterminant, permettant à KATRIN d’entamer dès 2025 la recherche de neutrinos « stériles » de masses de l’ordre du kiloélectronvolt, candidat à la mystérieuse matière noire de l’univers. qui s’est déjà manifestée dans de nombreuses observations astrophysiques et cosmologiques, mais sa nature physique particulaire est encore inconnue.

Référence : « Mesure directe de la masse des neutrinos avec une sensibilité inférieure à l’eV » 14 février 2022 Disponible ici. Physique naturelle.
DOI : 10.1038 / s41567-021-01463-1