Les neutrinos, "poids plumes" des particules, pourront compter sur la nouvelle balance de haute précision KATRI
Publié par Redbran le 19/09/2019 à 14:00
Source: CEA

KIT
Installée en Allemagne et après seulement 23 jours de collecte de données, l'expérience KATRIN améliore déjà les erreurs de mesure des expériences précédentes d'un facteur 2, grâce à une ins-trumentation de taille pharaonique (70 m de long) couplée à une technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) de pointe. Ces premiers résultats sont compatibles avec une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la...) de neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.) électronique de moins de 1.1 élect-ron-volt (eV), contrainte encore inférieure à celle venant des mesures cosmologiques, mais indépendantes de tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) modélisation de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.). Trouver la fenêtre (En architecture et construction, une fenêtre est une baie, une ouverture dans un mur ou un pan incliné de toiture, avec ou sans vitres.) vers la nouvelle physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) de l'infiniment petit, et apporter une pièce au puzzle de la formation primordiale de notre Univers sont les enjeux excitants de la mesure de la masse des neutrinos.

Les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) recueillies par l'expérience KATRIN (Karlsruhe Tritium (Le tritium (T ou 3H) est - comme le deutérium - l'un des isotopes de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 2 neutrons. Il a été mis en évidence en 1934, par Ernest...) Neutrino Experiment) vont être de plus en plus nombreuses au cours des 5 prochaines années. KATRIN devrait ainsi atteindre une sensibilité sur la masse du neutrino électronique voisine de 200 meV. Le haut potentiel de cette expérience réside dans sa précision et dans le fait que cette mesure est indépendante de tout modèle théorique contrairement aux mesures issues des observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le...) cosmologiques. En effet, elle repose sur la conservation de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) et la mesure d'une expérience bien connue: la désintégration beta (Le genre Beta appartient à la famille des Chénopodiacées, tribu des Cyclolobae.).

Les neutrinos jouent un rôle clé en en physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On...) et en cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.). Mis à part les photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent,...), les neutrinos sont les particules élémentaires les plus abondantes de l'Univers, très légères et aux interactions rares, mais qui influencent malgré tout l'évolution de l'Univers primordial. A l'échelle des particules élémentaires, leur très faible masse (l'ordre du milli-eV, un milliard (Un milliard (1 000 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf millions neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille...) de fois plus petit que les autres particules élémentaires) sous-entend peut-être l'existence d'une nouvelle physique au-delà des théories connues.

Après 20 ans de préparation, l'expérience internationale KATRIN a présenté, ce vendredi 13 septembre, ses 1ers résultats à la conférence internationale en astroparticules qui s'est déroulée au Japon. La collaboration, composée de 150 scientifiques de 20 institutions issues de 7 pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²),...), et au-quel participe le CEA, a relevé avec succès de nombreux défis technologiques lors de la mise en service du montage expérimental de 70 m de long. Au printemps (Le printemps (du latin primus, premier, et tempus, temps, cette saison marquant autrefois le début de l'année) est l'une des quatre saisons des zones tempérées, précédant l'été et suivant l'hiver. Il se...) 2019, l'équipe a pu pour la première fois "mettre les neutrinos sur la balance ultra-précise de KATRIN": un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume...) de tritium de haute pureté a circulé pendant près de quatre semaines dans le cryostat source, et des spectres d'énergie d'électrons de haute qualité ont été recueillis. L'analyse des données (L’analyse des données est un sous domaine des statistiques qui se préoccupe de la description de données conjointes. On cherche par ces méthodes à donner les liens pouvant exister entre les différentes...) a ensuite permis d'extraire le premier résultat de masse de neutrinos. "Nos trois équipes d'analyse internationales ont délibérément travaillé séparément les unes des autres pour garantir des résultats réellement indépendants", explique Thierry Lasserre (CEA), coordinateur de l'analyse. L'accent a été mis sur le fait qu'aucun membre de l'équipe n'était en mesure de déduire prématurément le résultat de la masse de neutrinos avant la dernière étape de l'analyse ".


Vue d'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) de l'installation KATRIN de 70 m de long avec ses principaux composants, de gauche à droite: Source de tritium gazeux, Section de pompage (Le pompage est un phénomène aérodynamique qui intervient dans un compresseur. Il s'agit d'une instabilité aérodynamique qui donne naissance à des ondes longitudinales. Une inversion du sens...), spectromètres électrostatiques et détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la...) d'électrons. (credit KIT)

"La limite sur la masse des neutrinos obtenue par l'expérience KATRIN est une prouesse expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le...) d'une importance considérable. Ce magnifique résultat améliore sensiblement les contraintes directes précédentes et complémente superbement les limites obtenues sur la base d'observations cosmologiques ainsi que les mesures d'oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à amplitude constante soit amorties. Elles répondent aux mêmes équations quel...) de saveur des neutrinos, auxquelles les chercheurs et chercheuses de notre Département sont associés." Gautier HAMEL de MONCHENAULT, chef de département de physique des particules de l'Irfu/CEA"KATRIN n'est pas seulement une expérience phare de la recherche fondamentale (La recherche fondamentale regroupe les travaux de recherche scientifique n'ayant pas de finalité économique déterminée au moment des travaux. On oppose en général la recherche fondamentale à la...) et un véritable instrument de haute technologie, c'est aussi un moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de...) de coopération internationale qui assure une formation de premier plan aux jeunes chercheurs et ingénieurs." Guido Drexlin du KIT et Christian Weinheimer de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) de Münster

Le principe physique exploité par l'instrument KATRIN


Figure 1a) Spectre d'électrons mesuré par KATRIN. Les données expérimentales sont les points noirs et le modèle en bleu. Les incertitudes sont multipliées par 50 afin d'être visibles. b) Différence entre données et modèle. c) Distribution du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de mesure passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur une...) pour évaluer chaque point (Graphie) de mesure © kit


La mesure de KATRIN utilise un principe fondamental connu depuis longtemps dans les études cinématiques directes de la masse de neutrinos: dans le processus de désintégration bêta du tritium, l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des...) et son partenaire neutre non détecté, le neutrino (électron), partagent statistique-ment l'énergie disponible de 18,6 keV. Dans des cas extrêmement rares, l'électron obtient effectivement toute l'énergie de désintégration (En physique nucléaire, l'énergie de désintégration est l'énergie dégagée par la radioactivité d'une désintégration nucléaire.) tandis que le neutrino n'a pratiquement plus d'énergie, la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) minimale étant d'après Einstein sa masse au repos E = mc². C'est cette minuscule distorsion spectrale due à la masse non nulle de neutrinos que l'équipe KATRIN recherchait dans un ensemble de plus de 2 millions d'électrons collectés sur une gamme d'énergie de 90 eV autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres...) de l'énergie maximum attendue pour les électrons. La difficulté expérimentale vient de la statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le...) car seule une désintégration du tritium sur un milliard est intéressante pour mesurer la masse du neutrino. Afin d'accumuler un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'événements et donc une statistique conséquente, l'expérience KATRIN utilise la source de Tritium la plus intense à disposition de la communauté scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.). "La désintégration beta du tritium ainsi que la réponse de l'ensemble de l'instrument doivent être modélisés avec une précision inférieure au pourcent “ explique Thierry Lasserre: "Avec KATRIN la mesure directe de la masse des neutrinos est entré dans le domaine de la physique de haute précision".

L'apport du CEA-Irfu à l'équipement

En collaboration avec le MPP (Munich), le CEA-Irfu a développé une nouvelle chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) d'analyse utili-sant l'approche de matrice de covariance (Pour le principe physique, voir Principe de covariance générale.) pour étudier et propager les erreurs systématiques et leurs corrélations. Cette analyse a passé avec succès toutes les étapes de validation jusqu'à la me-sure de la masse du neutrino. Elle vient d'être soumise pour publication (Eur. Phys. J. C ). Sur le plan technique, les équipes du Département des accélérateurs, de cryogénie (La cryogénie est l'étude et la production des basses températures (inférieures à -150 °C) dans le but de comprendre les phénomènes physiques qui s'y manifestent. Elle possède de très nombreuses applications notamment dans le...) et de magnétisme (Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifestent des forces attractives ou répulsives d'un objet sur un autre, ou avec des charges électriques en mouvement. Ces objets, dits...) de l'Irfu ont coordonné l'étude, la réalisation et les tests d'un nouveau système de protection active des aimants supraconducteurs de la source de tritium en collaboration avec KIT.

En juillet dernier, le CEA et le KIT ont d'ailleurs signé, pour la 3e fois, le renouvellement de leur ac-cord de coopération scientifique et technique pour cinq ans.
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