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Nouvelles scientifiques

 

Paris, le 9 novembre 2010

 

Une nouvelle façon de déterminer la masse du neutrino ?

 

Les mesures de l’énergie de capture électronique dans le noyau 194Hg effectuées par les chercheurs de la collaboration Isoltrap(1) au Cern, dont ceux de l’IN2P3/CNRS(2), pourraient permettre de gagner un ordre de grandeur sur la valeur maximale de la masse(3) du neutrino électronique. Ces résultats ont été publiés dans la revue Physics Letters B du 11 octobre 2010.

 

Particule discrète par excellence, le neutrino laisse peu de traces lors de son passage. Bien que très faible, la valeur exacte de la masse du neutrino a des conséquences profondes pour la physique fondamentale ainsi que pour la cosmologie.

De ce fait, les observations du fond cosmologique apportent une contrainte très forte sur la somme des masses des neutrinos. Cependant, cette contrainte est dépendante de nombreuses hypothèses associées au modèle cosmologique actuel, et rendent fondamentales les mesures directes, dans l'environnement contrôlé du laboratoire.

Cette infime quantité est mesurée via la radioactivité bêta nucléaire(4), contrainte par l'interaction faible. Actuellement, la valeur maximale est de 2 électron-volts(5) (eV) pour la masse de l'anti-neutrino(6), émis lors de la décroissance bêta du tritium, alors que celle de la masse du neutrino électronique est beaucoup moins restrictive : 225 eV, une valeur obtenue par la mesure de capture électronique dans le noyau 163Ho.

La capture électronique est un processus analogue à la décroissance bêta + : le noyau capture un électron de son cortège et émet un neutrino. L’énergie de cette transformation (énergie de liaison nucléaire) est portée principalement par le neutrino émis mais l’énergie de liaison de l’électron (de l’ordre de 100 keV) doit aussi être prise en compte. L’énergie de liaison nucléaire est déterminée par la différence de masse entre noyau père (avant transformation) et noyau fils (après transformation) grâce à un piège de Penning(7). L’énergie de décroissance atomique(8) (électrons du cortège) est quant à elle mesurée en utilisant la technique de microcalorimétrie.

Les détails de cette approche ont été élaborés dès 1981 par Alvaro De Rujula qui a montré que l'on pouvait accroître la sensibilité quand les différentes énergies sont proches (mais une faible énergie de décroissance est difficile à déterminer !).
La méthode de la capture électronique est donc intéressante uniquement pour les cas où la différence de masse entre le noyau père et le noyau fils est minime. Ainsi, il faut identifier les noyaux adéquats avant de procéder à la microcalorimétrie.

Les mesures récentes réalisées avec le spectromètre Isoltrap au Cern ont permis d’identifier un nouveau candidat, le 194Hg, dont les mesures de capture électronique, couplées à des mesures microcalorimétriques, devraient permettre d’affiner la limite actuelle sur la masse du neutrino électronique. Le noyau père (194Au) et le noyau fils (194Hg) ont été pesés séparément avec Isoltrap et une différence très précise a été obtenue : 29 (± 4) keV (cette valeur exclut une capture d’un électron de la couche K (électron le plus lié)). Une mesure de microcalorimétrie des décroissances atomiques pourrait permettre d'atteindre une limite d'environ 20 eV pour la masse du neutrino électronique, soit une amélioration d'un ordre de grandeur !

 

(1) Organismes impliqués dans Isoltrap : CNRS/IN2P3, Institut Max-Planck de Heidelberg, Cern, Université de Greifswald, Université de Dresden, GSI-Darmstadt
(2) Centre de spectrométrie nucléaire et de spectrométrie de masse – CSNSM (CNRS / Université Paris Sud)
(3) effective
(4) La radioactivité bêta est la transformation, au sein d’un noyau, d'un neutron en proton (radioactivité bêta- : neutron → proton + électron + antineutrino) ou d'un proton en neutron (radioactivité bêta+ : proton → neutron + positron + neutrino).
(5) La masse est exprimée en unités d'énergie, grâce à la relation E = mc2.
(6) Le spectromètre Katrin (collaboration entre l’Allemagne, la République Tchèque, le Royaume-Uni, la Russie et les États-Unis), en cours de construction, devrait permettre d’atteindre 0,2 eV.
(7) Le confinement d’un ion offre la possibilité de l’observer longtemps et donc de le peser avec une grande précision. Dans un piège de Penning, la particule est confinée pratiquement au repos, comme c’est le cas dans le spectromètre Isoltrap. Les ions à mesurer sont confinés par l’action simultanée d’un champ magnétique et d’un champ électrique.
(8) Après capture par le noyau d'un de ses électrons, le cortège électronique se réorganise et gagne de l’énergie. C’est cette énergie qui est mesurée par microcalorimétrie.

 

Contact chercheur

  • David Lunney, Tél : 01 69 15 52 20
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