Des physiciens de la collaboration KATRIN ont rapporté l’absence de preuve d’un neutrino stérile dans une analyse précise des données de désintégration du tritium. Les résultats, publiés dans Nature, contredisent des affirmations expérimentales antérieures et renforcent l’argument contre un quatrième type de neutrino. L’expérience, basée en Allemagne, continue de collecter plus de données pour des tests supplémentaires.
Les neutrinos, parmi les particules les plus abondantes de l’univers, sont notoirement difficiles à détecter. Le Modèle standard de la physique des particules en reconnaît trois types, mais des anomalies dans les expériences ont longtemps suggéré la possibilité d’un quatrième, appelé neutrino stérile, qui interagirait encore plus faiblement et pourrait bouleverser notre compréhension de la physique fondamentale.
L’expérience Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN), située à l’Institut de technologie de Karlsruhe en Allemagne, est conçue pour mesurer la masse du neutrino en examinant les énergies des électrons issus de la désintégration bêta du tritium. S’étendant sur plus de 70 mètres, elle comprend une source de tritium, un spectromètre haute résolution et un détecteur. Opérationnelle depuis 2019, KATRIN a effectué la recherche directe la plus sensible pour les neutrinos stériles à ce jour.
En analysant des données de 259 jours entre 2019 et 2021, incluant environ 36 millions d’électrons, l’équipe n’a trouvé aucune distorsion dans le spectre d’énergie des électrons indiquant un neutrino stérile. Ce résultat exclut une large gamme de possibilités de neutrinos stériles suggérées par d’anciennes expériences de réacteurs et de gallium, et s’oppose directement aux affirmations de l’expérience Neutrino-4.
« Notre nouveau résultat est parfaitement complémentaire des expériences de réacteurs comme STEREO », a déclaré Thierry Lasserre du Max-Planck-Institut für Kernphysik, qui a dirigé l’analyse. « Alors que les expériences de réacteurs sont les plus sensibles aux séparations de masse stérile-active inférieures à quelques eV², KATRIN explore la plage de quelques à plusieurs centaines d’eV². Ensemble, ces deux approches écartent désormais de manière cohérente les neutrinos stériles légers qui se mélangeraient notablement avec les types de neutrinos connus. »
Le faible bruit de fond de KATRIN assure des mesures propres au point de création du neutrino, contrairement aux études d’oscillation qui suivent les changements sur une distance. La collaboration prévoit de collecter des données jusqu’en 2025, visant plus de 220 millions d’électrons pour améliorer la précision par un facteur de six, selon la coporte-parole Kathrin Valerius du KIT.
Une mise à niveau en 2026 introduira le détecteur TRISTAN pour sonder des neutrinos stériles plus lourds, peut-être dans la gamme keV liée à la matière noire. « Cette configuration de nouvelle génération ouvrira une nouvelle fenêtre sur la gamme de masses keV, où les neutrinos stériles pourraient même former la matière noire de l’Univers », a noté la coporte-parole Susanne Mertens du Max-Planck-Institut für Kernphysik.
Impliquant plus de 20 institutions de sept pays, KATRIN incarne la coopération scientifique internationale en physique des particules.