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Le spectromètre de l'expérience Karlsruhe Tritium Neutrino (Katrin) à l'Institut de technologie de Karlsruhe, en Allemagne, le 17 août 2015 © dpa/AFP/Archives Uli Deck

Le spectromètre de l'expérience Karlsruhe Tritium Neutrino (Katrin) à l'Institut de technologie de Karlsruhe, en Allemagne, le 17 août 2015 © dpa/AFP/Archives Uli Deck

Des physiciens ont établi une limite supérieure, extraordinairement faible, à la masse du neutrino, la seule particule de la physique dont on ne sait toujours pas ce qu’elle pèse, plus de 90 ans après le postulat de son existence.

On sait tout ou presque sur les particules composant les atomes de matière, qu’il s’agisse des protons et neutrons du noyau de l’atome, ou de l’électron en orbite autour de ce dernier. En revanche, le neutrino reste largement un mystère, depuis que le physicien Wolfgang Pauli a proposé son existence en 1930. 

Pourtant, il « baigne tout l’Univers depuis le Big Bang », dans une proportion d’un milliard de neutrinos pour chaque atome, remarque Thierry Lasserre, directeur de recherche au Commissariat à l’énergie atomique, qui a co-signé l’étude de la collaboration internationale KATRIN, publiée lundi dans Nature. Seulement, dépourvu de charge électrique, d’où son nom, et d’une masse infinitésimale, le neutrino est remarquablement discret.

L’expérience KATRIN, menée depuis 2019 à l’Institut allemand de technologie de Karlsruhe, et regroupant des partenaires de six pays, indique aujourd’hui que la masse du neutrino ne peut dépasser 0,8 électron-volt, moins d’un milliardième de celle d’un proton. 

Pour mesurer l’avancée, un article de Nature accompagnant l’étude remarque que depuis 70 ans, on savait seulement que cette masse ne pouvait dépasser 1 000 électrons-volts. Et qu’il a même fallu attendre la fin des années 1990 pour avoir la certitude que le neutrino avait bien une masse…

Pour la « contraindre », c’est-à-dire en fixer les limites, à défaut de pouvoir la mesurer précisément, KATRIN utilise un spectromètre enregistrant la désintégration naturelle, dite bêta, d’atomes de tritium, qui libèrent des électrons et des neutrinos. Dans une structure de 70 mètres de long, dominée par le spectromètre, qui fonctionne sous vide et flirte avec les 200 tonnes. 

Le problème est que le neutrino « n’interagit quasiment pas, donc on ne l’observe pas dans KATRIN », explique Thierry Lasserre. Mais comme l’électron et le neutrino se partagent l’énergie produite dans la désintégration, l’astuce consiste à mesurer celle de l’électron pour en déduire une information directe sur celle du neutrino. Simple ? Non, car il faut aussi trouver le bon électron se prêtant à l’expérience, « ce qui arrive dans un milliardième des désintégrations », ajoute-t-il.

Pourquoi tant d’efforts ? Parce que le neutrino, « comme particule de matière la plus abondante de l’Univers, tisse un fil entre l’infiniment petit et l’infiniment grand, avec une masse qui influe sur les structures composant le cosmos », dit Thierry Lasserre.

Connaître sa masse aidera aussi bien la physique des particules que celle des astres. L’objectif de KATRIN est maintenant d’arriver à établir une limite supérieure de 0,2 électron-volt, d’ici 2024.

Au-delà, l’équipe envisage l’installation d’un nouveau système de détection, TRISTAN, qui partira à la recherche d’une nouvelle espèce de neutrinos, les « stériles » lourds. Des particules hypothétiques, n’interagissant pas avec la matière et beaucoup plus massives que le neutrino simple. Avec l’idée qu’elles puissent constituer la matière noire, un élément clé de la théorie dominante décrivant le cosmos.