la masse de la « particule fantôme »

la masse de la « particule fantôme »
la masse de la « particule fantôme »
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La « particule fantôme », le neutrino, est si insaisissable que pendant des années nous avons cru qu’elle n’avait pas de masse

24 avril 2024, 10h00

Mis à jour le 24 avril 2024, 10h16

Estimez le poids d’un fantôme. C’est quelque chose de similaire à ce que certains chercheurs européens ont réalisé. Seulement, nous ne parlons pas d’ectoplasmes, mais de ce qu’on appelle la « particule fantôme », le neutrino.

Une mesure insaisissable. Une équipe de physiciens dirigée par des chercheurs de l’Institut Max Planck de physique nucléaire a réalisé une nouvelle estimation de la masse du neutrino, l’une des particules subatomiques les plus insaisissables que nous connaissions.

La particule fantôme. L’histoire de ce mystère commence dans les années 1930, lorsque les physiciens se sont rendu compte que quelque chose n’allait pas dans la désintégration du noyau atomique. Il manquait quelque chose, quelque chose d’inconnu. Ils ont alors imaginé des « particules fantômes » qui absorbaient une partie de l’impulsion des atomes en transformation. Au milieu des années 1950, ils ont « capturé » cette particule, le neutrino.

Mais les neutrinos interagissent à peine avec le reste des particules, ce qui continue à en faire une particule quelque peu « fantomatique », à tel point que jusqu’à relativement récemment, on croyait qu’ils n’avaient pas de masse, comme les photons. Quelque chose qui, expliquent les responsables de l’étude, s’inscrit parfaitement dans le modèle standard, le modèle physique qui tente de décrire les particules subatomiques et leurs interactions.

Jusqu’à ce qu’on découvre que les neutrinos « oscillaient » entre trois types. Quelque chose qui impliquait que cette particule devait avoir une « masse au repos ».

Une échelle nucléaire. Comment alors peser une particule que l’on croyait jusqu’à récemment dépourvue de masse ? Il existe deux méthodes complémentaires, explique Christoph Schweiger, l’un des co-auteurs de l’étude, dans un communiqué.

L’une de ces méthodes est la désintégration bêta du tritium, l’isotope de l’hydrogène (hydrogène-3), dans le noyau duquel se trouvent deux neutrons et un proton. Dans cette désintégration, l’un des neutrons se désintègre en proton, convertissant l’atome en hélium-3 et libérant ainsi un électron et un neutrino. C’est la technique utilisée il y a quelques années par l’expérience KATRIN.

“La voie complémentaire est la capture d’électrons dans l’isotope artificiel holmium-163”, poursuit Schweiger. Cette désintégration commence par l’absorption, par le noyau de l’atome, d’un électron de la couche interne de cet isotope. Ici, un proton devient un neutron, transformant l’atome en isotope du dysprosium-163 et libérant également un neutrino. Le dysprosium et l’holmium sont les éléments qui correspondent respectivement aux numéros atomiques 66 et 67, et tous deux appartiennent au groupe des lanthanides.

E=mc2. L’équipe du consortium ECHo a travaillé sur la mesure énergétique de ce procédé. Puisque la masse et l’énergie sont équivalentes (comme nous le dit la célèbre équation d’Einstein) et qu’elles ne sont ni créées ni détruites, il suffit de connaître la masse qui était dans le système avant et après la désintégration d’un isotope en un autre et de résoudre l’inconnu

Mais ce mystère comporte deux volets. D’une part, la masse du neutrino libéré, de l’autre la « valeur Q », la quantité d’énergie libérée ou absorbée dans ce type de réactions. Pour mesurer cette dernière, l’équipe a utilisé un « calorimètre ».

Pentatrap. Mais il y avait un problème. L’isotope d’holmium utilisé dans l’expérience a été incorporé dans une feuille d’atomes d’or. Ces atomes pourraient avoir une certaine influence sur l’isotope, ils ont donc décidé de combiner la mesure initiale avec une nouvelle obtenue grâce à une autre méthodologie et ainsi détecter des erreurs hypothétiques.

Cet outil est le « pentatrap », un instrument combiné de cinq pièges Penning. Ces pièges piègent les atomes grâce à l’électricité statique et à un champ magnétique. La précision de cet outil équivaut à celle mesurant la masse d’une goutte d’eau sur un Airbus A380, explique Schweiger.

Cet appareil fonctionne en vibrant et en mesurant la vibration de différents atomes, en l’occurrence les ions dysprosium-163 et holmium-163. Ils ont ainsi obtenu une mesure de la valeur Q 50 fois plus précise. Les détails de l’expérience ont été publiés dans un article de la revue Physique naturelle.

Porte ouverte sur l’inconnu. Le résultat obtenu ? L’expérience a estimé une masse maximale de 0,8 électron-volt multiplié par la vitesse de la lumière au carré (eVm2). Cela représente : 1,4·10^(-33) grammes. Ou ce qui serait pareil, 0,0014 quectogrammes (qg) en utilisant les nouveaux préfixes du Système International. L’estimation minimale serait de 0,12 eVm2.

Pour les responsables de l’étude, cette mesure représente une clé vers un « monde inconnu », la nouvelle physique tant attendue qui pourrait nous aider à résoudre certaines contradictions apparentes de nos modèles actuels et d’autres questions auxquelles nous ne savons toujours pas répondre. Pour l’instant, nous devrons nous contenter d’un petit pas. Mais pas aussi petit qu’un neutrino.

À Xataka | Cette photo du soleil a été prise la nuit, depuis une mine au Japon et regardant à travers la terre plutôt que le ciel.

Images | Pentatrap. MPI pour la Physique Nucléaire / Première détection d’un neutrino. Département américain de l’énergie

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