Un groupe de scientifiques vient d’améliorer considérablement ses mesures de neutrinos minuscules, presque sans masse, multipliant par 50 la qualité des résultats. La grande équipe a utilisé un instrument appelé PENTATRAP à l’Institut Max Planck de physique nucléaire en Allemagne. On croyait autrefois que les neutrinos n’avaient pas de masse, et les scientifiques ont continué à travailler pour observer leur véritable massivité, un mot curieux qui, dans son contexte, signifie simplement que quelque chose a une masse.
Dans cette expérience, l’élément holmium a été utilisé, un métal des terres rares qui possède un isotope radioactif à longue durée de vie, le 163 holmium. D’autres scientifiques avaient précédemment suggéré que cet isotope serait un bon candidat pour étudier la capture électronique comme analogue à la mesure de la masse des neutrinos. Lors de la capture électronique, le noyau le plus lourd d’un atome piège l’un de ses électrons les plus internes, provoquant l’émergence d’un neutrino de l’atome, transportant l’énergie « libérée » par cet échange.
La capture électronique est une forme de désintégration radioactive dans laquelle des atomes individuels se désintègrent en irradiant leurs particules. Les types courants de désintégration radioactive sont les désintégrations alpha, bêta et gamma, et la capture d’électrons est une quatrième chose secrète ou un sous-type de désintégration bêta (selon la personne à qui vous demandez). Ces actions se déroulent au cœur, c’est-à-dire qu’elles sont de nature nucléaire.
Ainsi, lorsqu’ils ont été chargés de mesurer ou d’extrapoler la masse d’un neutrino – quelque chose qui est intrinsèquement lié ici à une réaction nucléaire – les scientifiques se sont tournés vers ce qu’on appelle la valeur Q. La valeur Q est une mesure de l’énergie de désintégration radioactive, produite par la réaction et mesurée. par calorimétrie (la calorimétrie est le processus de mesure du transfert de chaleur créé par des réactions chimiques et physiques). Et comme l’un des paramètres les plus concrets dans la mesure de la masse des neutrinos, la valeur Q est importante.
“Une valeur Q mesurée indépendamment pour ce processus est vitale pour l’évaluation des incertitudes systématiques dans la détermination de la masse des neutrinos”, écrivent les chercheurs dans leur article publié dans Physique naturelle. Une plage plus spécifique de valeurs Q peut réduire la variance globale de notre idée de la masse des neutrinos. Imaginez que vous calculiez le nombre moyen de kilomètres par réservoir d’essence sur votre voiture, mais que votre chiffre en kilomètres par gallon se situe entre 15 et 45. Si vous pouviez réduire la taille de cette fenêtre de moitié, vous auriez une bien meilleure idée de votre véritable kilométrage.
Alors, comment mesurer l’énergie produite par un seul électron et le neutrino qui le suit ? PENTATRAP est un instrument spécialement conçu pour mesurer les valeurs Q des réactions des neutrinos. Il s’agit d’un spectromètre de masse qui produit une lecture de signaux indiquant la relation entre la masse et la charge de l’échantillon. Les scientifiques comparent ensuite les résultats aux formes connues des particules et des molécules. PENTATRAP ajoute des pièges de Penning, qui sont des champs magnétiques dans lesquels des particules chargées peuvent être piégées. À l’intérieur du PENTATRAP se trouvent cinq pièges Penning empilés, un nom qui signifie « cinq ».
Puisque PENTATRAP a été conçu dans le but de trouver une valeur Q pour la masse des neutrinos, il n’est pas surprenant que l’équipe responsable de cette expérience récente ait pu mesurer la valeur Q avec beaucoup plus de précision que d’autres installations et équipes de recherche. Mais les résultats sont spectaculaires même dans ce contexte. L’expérience PENTATRAP a abouti à une plage de valeurs Q 50 fois plus précise que les mesures précédentes : dans notre analogie avec la consommation d’essence, la « plage » est passée de 25 à 50 milles à 34 à 34,5 milles.
“Cela permettra de déterminer la masse du neutrino électronique à un niveau inférieur à l’électron-volt à partir de l’analyse de la capture électronique dans [163 holmio]”conclut l’équipe de recherche (un électronvolt est une mesure de la charge d’un seul électron).
Sans aucun doute, un pas dans la bonne direction.
Caroline Delbert est écrivain, lectrice assidue et rédactrice en chef de Pop Mech. Elle est également passionnée par à peu près tout. Ses sujets de prédilection incluent l’énergie nucléaire, la cosmologie, les mathématiques des choses quotidiennes et la philosophie de tout cela.
