Une grosse machine de comptage d'électrons a indirectement révélé une mesure de la particule connue la plus glissante en physique - et a ajouté aux preuves de la matière noire.
Cette mesure est le premier résultat d'un effort international pour mesurer la masse des neutrinos - des particules qui remplissent notre univers et déterminent sa structure, mais que nous sommes à peine capables de détecter du tout. Les neutrinos, selon l'expérience allemande Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN), n'ont pas plus de 0,0002% la masse d'un électron. Ce nombre est si bas que même si nous comptions tous les neutrinos de l'univers, ils ne pourraient pas expliquer sa masse manquante. Et ce fait s'ajoute à la pile de preuves de l'existence de la matière noire.
KATRIN est fondamentalement une très grosse machine pour compter les électrons de très haute énergie qui jaillissent d'un échantillon de tritium - une forme radioactive d'hydrogène. avec un proton et deux neutrons dans chaque atome. Le tritium est instable et ses neutrons se désintègrent en paires électron-neutrino. KATRIN recherche les électrons et non les neutrinos car les neutrinos sont trop faibles pour être mesurés avec précision. Et la machine utilise du tritium gazeux, selon Hamish Robertson, un scientifique KATRIN et professeur émérite à l'Université de Washington, car c'est la seule source d'électrons-neutrinos suffisamment simple pour obtenir une bonne mesure de masse.
Les neutrinos sont plus ou moins impossibles à mesurer avec précision par eux-mêmes car ils ont si peu de masse et ont tendance à sauter des détecteurs sans interagir avec eux. Donc, pour déterminer la masse des neutrinos, Robertson a déclaré à Live Science, KATRIN compte les électrons les plus énergétiques et fonctionne à partir de ce nombre pour déduire la masse du neutrino. Les premiers résultats de KATRIN ont été annoncés et les chercheurs sont parvenus à une conclusion précoce: les neutrinos ont une masse ne dépassant pas 1,1 électron-volt (eV).
Les électrons volts sont les unités de masse et d'énergie que les physiciens utilisent lorsqu'ils parlent des plus petites choses de l'univers. (À l'échelle des particules fondamentales, l'énergie et la masse sont mesurées en utilisant les mêmes unités, et les paires neutrino-électrons doivent avoir des niveaux d'énergie combinés équivalents à leur neutron source.) Le boson de Higgs, qui prête aux autres particules leur masse, a un masse de 125 milliards EV. Les protons, les particules au centre des atomes, ont des masses d'environ 938 millions d'eV. Les électrons ne sont que de 510 000 eV. Cette expérience confirme que les neutrinos sont incroyablement minuscules.
KATRIN est une très grosse machine, mais ses méthodes sont simples, a déclaré Robertson. La première chambre de l'appareil est remplie de tritium gazeux, dont les neutrons se désintègrent naturellement en électrons et neutrinos. Les physiciens savent déjà combien d'énergie est impliquée lorsqu'un neutron se désintègre. Une partie de l'énergie est convertie en la masse du neutrino et la masse de l'électron. Et le reste est versé dans ces particules nouvellement créées, dictant très approximativement à quelle vitesse elles vont. Habituellement, cette énergie supplémentaire est répartie assez uniformément entre l'électron et le neutrino. Mais parfois, la plupart ou la totalité de l'énergie restante est déversée dans une particule ou une autre.
Dans ce cas, toute l'énergie restante après la formation du neutrino et de l'électron est déversée dans le partenaire électronique, formant un électron de très haute énergie, a déclaré Robertson. Cela signifie que la masse du neutrino peut être calculée: c'est l'énergie impliquée dans la désintégration des neutrons moins la masse de l'électron et le niveau d'énergie maximal des électrons dans l'expérience.
Les physiciens qui ont conçu l'expérience n'ont pas essayé de mesurer les neutrinos; ceux-ci sont autorisés à s'échapper de la machine intacte. Au lieu de cela, l'expérience achemine les électrons dans une chambre à vide géante, appelée spectromètre. Un courant électrique crée alors un champ magnétique très puissant que seuls les électrons de plus haute énergie peuvent traverser. À l'autre extrémité de cette chambre se trouve un appareil qui compte le nombre d'électrons qui traversent le champ. Alors que KATRIN augmente lentement la force du champ magnétique, a déclaré Robertson, le nombre d'électrons passant à travers diminue - presque comme s'il allait s'estomper complètement jusqu'à zéro. Mais à la toute fin de ce spectre de niveaux d'énergie électronique, quelque chose se produit.
"Le spectre meurt subitement, avant d'atteindre le point final, car la masse du neutrino ne peut pas être volée par l'électron. Il doit toujours être laissé pour les neutrinos", a déclaré Robertson. La masse du neutrino doit être inférieure à cette petite quantité d'énergie manquante à la toute fin du spectre. Et après plusieurs semaines d'exécution, les expérimentateurs ont réduit ce nombre à environ la moitié du nombre que les physiciens connaissaient auparavant.
L'idée que les neutrinos ont une masse est révolutionnaire; Le modèle standard, la théorie de la physique qui décrit le monde subatomique, une fois insisté sur le fait que les neutrinos n'ont aucune masse, a souligné Robertson. Dès les années 1980, des chercheurs russes et américains tentaient de mesurer les masses de neutrinos, mais leurs résultats étaient problématiques et imprécis. À un moment donné, des chercheurs russes ont fixé la masse du neutrino à exactement 30 eV - un joli chiffre qui aurait révélé les neutrinos comme le chaînon manquant qui aurait expliqué la grande structure gravitationnelle de l'univers, remplissant toute la masse manquante - mais un cela s'est avéré faux.
Robertson et ses collègues ont commencé à travailler avec le tritium gazeux à l'époque, après avoir réalisé que la substance faiblement radioactive offrait la source la plus précise de désintégration neutronique disponible pour la science.
"Cela a été une longue recherche", a déclaré Robertson. "La mesure russe de 30 eV était très excitante car elle aurait fermé l'univers gravitationnellement. Et c'est toujours excitant pour cette raison. Les neutrinos jouent un grand rôle dans la cosmologie, et ils ont probablement façonné la structure à grande échelle de l'univers."
Toutes ces particules faibles qui volent autour tirent sur tout le reste avec leur gravité, et prennent et prêtent l'énergie de toutes les autres matières. Bien que le nombre de masses diminue, dit Robertson, le rôle précis que jouent ces petites particules se complique.
Le nombre de 1,1 eV, a déclaré le chercheur, est intéressant car il s'agit du premier nombre de masse de neutrinos dérivé de l'expérimentation qui n'est pas assez élevé pour expliquer à lui seul la structure du reste de l'univers.
"Il y a de la matière que nous ne savons pas encore. Il y a cette matière noire", et elle ne peut pas être constituée des neutrinos que nous connaissons, a-t-il dit.
Donc, ce petit nombre provenant d'une grande chambre à vide en Allemagne ajoute au moins à la pile de preuves que l'univers a des éléments que la physique ne comprend toujours pas.
