Lacroix
Les neutrinos sont des particules élémentaires omniprésentes qui n’interagissent que très faiblement avec la matière normale. C’est pourquoi elles y pénètrent généralement sans entrave et sont donc également appelées particules fantômes. Néanmoins, les neutrinos jouent un rôle prédominant dans l’univers primitif. Afin d’expliquer pleinement l’évolution de notre univers, il faut avant tout connaître leur masse. Mais jusqu’à présent, il n’a pas été feasible de déterminer cette masse.
La collaboration internationale Job 8 veut changer cela avec sa nouvelle expérience. Pour la première fois, le Projet 8 utilise une toute nouvelle technologie pour déterminer la masse des neutrinos, la « spectroscopie d’émission de rayonnement cyclotron » – CRES en abrégé. Dans une récente publication dans la revue Actual physical Critique Letters, la collaboration Project 8 a pu montrer que la méthode CRES est bien adaptée à la détermination de la masse des neutrinos et a déjà fixé une limite supérieure pour cette quantité fondamentale lors d’une première mesure — une étape importante a ainsi été franchie. De l’Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU), sont impliqués les groupes de recherche du Prof. Dr. Martin Fertl et du Prof. Dr. Sebastian Böser, tous deux chercheurs du Cluster of Excellence PRISMA+. Le Dr Christine Claessens, ancienne doctorante de Sebastian Böser et désormais postdoctorante à l’Université de Washington à Seattle (États-Unis), a apporté une contribution cruciale à la publication actuelle dans le cadre de sa thèse de doctorat.
Les électrons comme clé de la masse des neutrinos
L’expérience Project 8 utilise la désintégration bêta du tritium radioactif pour suivre la masse des neutrinos. Le tritium est un parent lourd de l’hydrogène – un soi-disant isotope. Il est instable et se compose d’un proton et de deux neutrons. En convertissant l’un de ces neutrons en proton, le tritium se désintègre en hélium tout en émettant un électron et un antineutrino. “Et voici le kicker”, déclare Martin Fertl. “Comme les neutrinos et leurs antiparticules n’ont pas de charge électrique, ils sont très difficiles à détecter. Par conséquent, nous n’essayons même pas de les détecter. Au lieu de cela, nous mesurons l’énergie des électrons résultants by means of leur fréquence orbitale dans un champ magnétique. sur la forme du spectre énergétique des électrons, nous déterminons ensuite la masse du neutrino, ou fixons ainsi une limite supérieure à cette masse.
Une mesure très précise de l’énergie électronique est nécessaire
Pour obtenir des résultats fiables, l’énergie des électrons doit être mesurée de manière extrêmement précise. En effet, l’(anti)neutrino qui en résulte est incroyablement léger, au moins 500 000 fois additionally léger qu’un électron. “Lorsque des neutrinos et des électrons sont produits simultanément, la masse du neutrino n’a qu’un effet minime sur le mouvement de l’électron. Et nous voulons voir ce petit effet”, explique Sebastian Böser. La méthode qui rend cela attainable s’appelle « Spectroscopie d’émission de rayonnement cyclotron » (CRES). Il enregistre le rayonnement micro-onde émis par les électrons naissants lorsqu’ils sont forcés de suivre une trajectoire circulaire dans un champ magnétique. La fréquence du rayonnement émis peut être déterminée de manière extrêmement précise, puis la masse du neutrino peut être déduite de l’énergie électronique.
Pour réaliser ce travail, Christine Claessens a apporté une contribution expérimentale décisive : « Dans le cadre de ma thèse de doctorat, j’ai développé, entre autres, un système de détection d’événements constitué d’un déclenchement en temps réel et d’une reconstruction d’événements hors ligne. Ce système recherche ” Les caractéristiques CRES caractéristiques du sign radiofréquence numérisé et traité en continu. La reconstruction de la fréquence de départ de chaque événement électronique permet un enregistrement de haute précision d’un spectre de désintégration du tritium. ” Sur cette foundation, Christine Claessens a réussi à analyser le leading spectre du tritium enregistré avec CRES en ce qui concerne les incertitudes systématiques — et ainsi à calculer une première limite supérieure pour la masse des neutrinos avec cette nouvelle technologie, qui a désormais trouvé sa spot dans la dernière publication.
Là, la collaboration Job 8 rapporte spécifiquement 3 770 événements de désintégration du tritium bêta qui ont été enregistrés sur une période de 82 jours dans une cellule d’échantillon de la taille d’un seul pois. La cellule d’échantillon est refroidie à des températures très basses et placée dans un champ magnétique qui fait voyager les électrons qui s’échappent sur une trajectoire circulaire suffisamment longue pour que les détecteurs enregistrent un signal micro-ondes. Surtout, aucun fake sign ou événement de fond n’est enregistré qui pourrait être confondu avec ou masquer le « signal réel ». “La première détermination de la limite supérieure de la masse des neutrinos avec une method de mesure purement basée sur la fréquence est un résultat très prometteur, motor vehicle nous pouvons aujourd’hui mesurer les fréquences avec une grande précision”, concluent Sebastian Böser et Martin Fertl.
Les prochaines étapes sont déjà en cours
Après la démonstration de principe réussie, l’étape suivante est prête : pour l’expérience finale, les chercheurs ont besoin d’atomes de tritium individuels, qu’ils créent à partir de la fission de molécules de tritium. C’est délicat auto le tritium, comme l’hydrogène, préfère previous des molécules. Le développement d’une telle supply – d’abord pour l’hydrogène atomique, puis pour le tritium atomique – constitue une contribution importante de l’équipe de Mayence.
À l’heure actuelle, la collaboration du Projet 8, qui comprend des membres de dix instituts de recherche du monde entier, travaille sur des modèles de assessments permettant de faire passer l’expérience d’une chambre d’échantillonnage de la taille d’un pois à une chambre mille fois plus grande. Cela permettra d’enregistrer beaucoup in addition d’événements de désintégration bêta. Au terme d’un programme de recherche et développement pluriannuel, l’expérience Projet 8 devrait à terme dépasser la sensibilité des expériences précédentes – telles que l’expérience KATRIN actuelle – pour fournir pour la première fois une valeur pour la masse des neutrinos.
