Espace & Particules (10/2019)

Une balance géante pour la plus légère des particules

Après 20 ans de préparation, l’expérience internationale KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment), installée à Karlsruhe, a effectué ses premières pesées. Elle a présenté, le 13 septembre dernier, ses premiers résultats lors de la conférence internationale en astroparticules qui s’est déroulée au Japon. La collaboration, composée de 150 scientifiques de 20 institutions issues de sept pays – majoritairement d’Allemagne et des États-Unis –, a relevé avec succès de nombreux défis technologiques lors de la mise en service de la plus grosse balance du monde.

Chargée d’estimer la masse de la plus légère des particules – le neutrino –, cette balance de 200 t, de 70 m de long et 10 m de haut améliore déjà d’un facteur deux les erreurs de mesure des expériences précédentes, grâce à une instrumentation et une technologie de pointe. En effet, le porte-parole de l’expérience KATRIN a présenté les premières mesures réalisées durant quatre semaines, en avril-mai. Le neutrino étudié pèserait moins de 1,96×10^–33 g, soit moins de 1,1 eV, la précision actuelle de la balance.

Les mesures effectuées utilisent un principe fondamental connu depuis longtemps dans les études cinématiques de la masse des neutrinos: dans le processus de désintégration bêta du tritium, l’électron et son partenaire neutre non détecté – le neutrino – partagent statistiquement l’énergie disponible de 18,6 keV. Dans des cas extrêmement rares, l’électron obtient effectivement toute l’énergie de désintégration, tandis que le neutrino n’a pratiquement plus d’énergie, la quantité minimale étant – d’après Einstein – sa masse au repos, selon la formule E = mc².

C’est cette minuscule distorsion spectrale due à la masse non nulle des neutrinos que les scientifiques recherchaient dans un ensemble de plus de deux millions d’électrons collectés sur une gamme d’énergie de 90 eV autour de l’énergie maximale attendue pour les électrons. La difficulté expérimentale vient de la statistique, car seule une désintégration du tritium sur un milliard est intéressante pour mesurer la masse du neutrino. Les données recueillies par l’expérience KATRIN vont être de plus en plus nombreuses au cours des prochaines années. KATRIN devrait ainsi atteindre une sensibilité sur la masse du neutrino voisine de 200 meV.

Le haut potentiel de cette expérience réside dans sa précision et dans le fait que, contrairement aux mesures issues des observations cosmologiques, cette mesure est indépendante de tout modèle théorique. Car elle repose sur la conservation de l’énergie et la mesure d’une expérience bien connue: la désintégration bêta. Trois équipes d’analyse internationales ont travaillé séparément les unes des autres pour garantir des résultats indépendants. Trouver la fenêtre vers une nouvelle physique de l’infiniment petit et contribuer à la connaissance de la formation de l’Univers sont les enjeux de la mesure de la masse des neutrinos.

 

Ligo et Virgo détectent un nouveau phénomène

Les instruments Ligo et Virgo qui traquent les ondes gravitationnelles, aux États-Unis et en Italie, ont détecté dans une galaxie éloignée de 900 millions d’années-lumière, un type inédit d’événement qui proviendrait, avec une probabilité de 99 %, d’une étoile à neutrons absorbée par un trou noir. Aucun événement de ce genre n’avait été constaté pendant les deux premières campagnes d’observation.

Une étoile à neutrons est, comme son nom l’indique, principalement composé de neutrons à l’état superfluide, maintenus ensemble par les forces de gravitation. Elle n’a d’étoile que le nom, car elle n’est plus le siège de réactions nucléaires et sa structure est radicalement différente de celle d’une étoile ordinaire. D’un diamètre de seulement 20 à 40 km, sa densité est extraordinairement élevée, de l’ordre de 10¹⁵ g/cm³. Quant à sa masse, elle est comprise entre 1,4 et 3,2 fois la masse du Soleil.

De tels astres sont issus de l’effondrement gravitationnel du cœur d’une étoile massive quand celle-ci a épuisé son combustible nucléaire. Cet effondrement s’accompagne d’une explosion – appelée supernova – des couches externes de l’étoile, qui sont complètement disloquées et rendues au milieu interstellaire.

 

Découverte des filaments cosmiques d’hydrogène

Des astronomes ont récemment remarqué que la distribution des galaxies était moins aléatoire qu’on le pensait auparavant. En effet, il existerait dans l’Univers une sorte de toile cosmique comportant des fils de différentes épaisseurs, sur lesquels se répartissent les galaxies. Les modèles cosmologiques prévoient que cette architecture se matérialise par la présence de grandes quantités d’hydrogène – l’élément le plus présent dans l’Univers et le principal constituant de la plupart des étoiles – le long de ces filaments cosmiques.

À l’aide de l’instrument MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) – un spectrographe 3D grand champ fonctionnant dans la gamme des longueurs d’onde visibles – installé sur l’un des quatre télescopes qui forment le VLT de l’Observatoire européen austral au Chili, une équipe d’astronomes dirigée par Hideki Umehata de l’université de Tokyo vient, pour la première fois, de détecter l’hydrogène qui forme ces filaments. Ce gaz neutre et très peu dense étant particulièrement difficile à identifier, c’est sa fluorescence lorsqu’il est excité par le rayonnement UV émis par des jeunes étoiles, qui a permis cette découverte. Le spectrographe MUSE avait d’ailleurs été développé pour tenter de détecter ce rayonnement, à quelque dix milliards d’années-lumière de la Terre.

 

Reconstitution d’un état de la matière

Les physiciens de la collaboration HADES (High Acceptance Di-electron Spectrometer) ont réussi à reconstituer, dans l’accélérateur de particules GSI du centre de recherches Heimholz sur les ions lourds à Darmstadt, l’état dans lequel se trouve la matière lors de la fusion de deux étoiles à neutrons. Constitué en 1994, ce regroupement de 150 chercheurs de 23 institutions issues de neuf pays étudie la matière baryonique, celle qui forme les constituants des protons et des neutrons du noyau atomique, à partir de quarks et de gluons.

En bombardant une cible en or avec un faisceau de noyaux d’or, les scientifiques ont produit des états excités de la matière baryonique, ainsi que des mésons rho, une particule dont la durée de vie moyenne est de 0,4×10^-23 s. La température atteinte pendant cette expérience a été de 70 MeV, du même ordre de grandeur que celle obtenue lors de la modélisation de la fusion d’étoiles à neutrons.