8 constitue une étape importante dans la mesure de la masse des neutrinos. Les neutrinos sont des particules subatomiques insaisissables qui traversent sans effort la matière ordinaire et jouent un rôle important dans les particules qui composent notre univers. Pour expliquer pleinement comment notre univers s’est formé, nous devons connaître sa masse. Mais, comme beaucoup d’entre nous, il s’agit de trouver des moyens d’éviter de se faire peser.
En 2022, l'équipe de recherche KATRIN a déterminé une limite supérieure à la masse potentielle d'un neutrino. Cette réalisation historique est le résultat de décennies de travail acharné. Mais ces résultats ne font que réduire la fenêtre de recherche. KATRIN atteindra bientôt et même un jour dépassera sa limite de détection cible, mais les neutrinos poids plume pourraient être encore plus légers, ce qui soulève la question : « Quelle est la prochaine étape ? Quelle est la prochaine étape ?
TA GPH12La spectroscopie d'émission radiative cyclotronique (CRES) vue ici est la clé d'une toute nouvelle approche visant à déterminer la masse du neutrino insaisissable. Source : Alec Lindemann, équipe du projet 8
Tracking des particules fantômes
Dans la dernière étude, l'équipe du projet 8 rapporte dans la revue Physical Review Letters qu'elle peut utiliser une toute nouvelle technique pour suivre et enregistrer de manière fiable un phénomène naturel appelé bêta. pourriture. Lorsqu’une variante radioactive rare de l’hydrogène – le tritium – se désintègre en trois particules subatomiques : des ions hélium, des électrons et des neutrinos, chaque désintégration libère une infime quantité d’énergie.
Le succès ultime du Projet 8 dépend d'un plan ambitieux. Plutôt que d'essayer de détecter directement les neutrinos - qui peuvent passer sans difficulté à travers la plupart des technologies de détection - l'équipe a utilisé une stratégie de mesure simple qui peut être résumée comme suit :
Einstein nous a dit que la masse totale d'un atome de tritium est égale à l'énergie de ses parties. Lorsque nous mesurons les électrons libres produits par la désintégration bêta, nous connaissons la masse totale, et l'énergie « manquante » est la masse et le mouvement du neutrino.
Brent VanDevender, l'un des principaux chercheurs du projet 8 au Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique du ministère de l'Énergie, a déclaré : « En principe, à mesure que la technologie se développe et se développe, il peut être possible d'atteindre la plage requise pour déterminer la masse des neutrinos. »
Pourquoi le projet 8 ?
Ces chercheurs ont choisi de poursuivre cette stratégie ambitieuse parce qu’ils en ont examiné les avantages et les inconvénients et ont conclu qu’elle était réalisable.
Talia Weiss est étudiante diplômée en physique nucléaire à l'Université de Yale. Elle et ses collègues du Projet 8 ont passé des années à étudier comment distinguer avec précision les signaux électroniques du bruit de fond électronique. Christine Claessens est postdoctorante à l'Université de Washington. Elle a obtenu son doctorat du Projet 8 de l'Université de Mayence en Allemagne. Weiss et Claesens ont mené deux analyses finales, imposant les premières contraintes sur les masses des neutrinos dérivées de la nouvelle technique.
Weiss a déclaré : "Le neutrino est incroyablement léger. Il est plus de 500 000 fois plus léger que l'électron. Ainsi, lorsqu'un neutrino et un électron sont produits en même temps, l'effet de la masse du neutrino sur le mouvement de l'électron est minime. Nous voulons voir ce petit effet. Nous avons donc besoin d'un moyen ultra-précis de mesurer la vitesse à laquelle l'électron se déplace. Le projet
8 repose précisément sur une telle technologie, conçue il y a plus de dix ans par les physiciens Joe Formaggio et Ben Monreal, alors tous deux au MIT. Une équipe internationale s'est ralliée à l'idée et a formé le Projet 8 pour transformer l'idée en un outil pratique. La méthode résultante est appelée spectroscopie d’émission radiative cyclotronique (CRES). Il capte le rayonnement micro-onde émis par les électrons nouveau-nés lorsqu’ils tournent dans un champ magnétique. Ces électrons emportent la majeure partie, mais pas la totalité, de l’énergie libérée lors de la désintégration bêta. C'est cette énergie manquante qui révèle la masse du neutrino. C'est la première fois que la technologie CRES est utilisée pour mesurer la désintégration bêta du tritium et fixer une limite supérieure à la masse des neutrinos.
Comment les scientifiques pèsent-ils les neutrinos ? Source de l'image : Animation réalisée par Sara Levine au Pacific Northwest National Laboratory
Méthodes et défis innovants
L'équipe de recherche ne s'intéresse qu'au suivi de ces électrons car leur énergie est essentielle pour révéler la masse des neutrinos. Bien que cette stratégie ait déjà été utilisée, l’énergie électronique mesurée par le détecteur CRES est si critique que son potentiel d’évolutivité dépasse toute technologie existante. Et cette évolutivité est ce qui distingue le Project 8. Elise Novitski est professeure adjointe à l'Université de Washington et a dirigé de nombreux aspects des travaux récemment publiés.
Nowitzki a déclaré : "Personne ne fait cela. Nous ne prenons pas la technologie existante et n'essayons pas de la modifier un peu. Nous sommes un peu dans le Far West."TAGPH2 0
Dans la dernière expérience menée à l'Université de Washington à Seattle, l'équipe a suivi 3 770 événements de désintégration bêta du tritium dans un cellule d’échantillon de la taille d’un pois sur une fenêtre expérimentale de 82 jours. La cellule d'échantillon est refroidie cryogéniquement et placée dans un champ magnétique qui capture les électrons émergents pendant une longue période, permettant à l'antenne d'enregistrement du système d'enregistrer le signal micro-ondes.
Mieux encore, l’équipe n’a enregistré aucun faux signal ou événement de fond qui ne pourrait être confondu avec de vrais signaux. Ceci est important car même un très petit fond peut masquer le signal de masse du neutrino, rendant plus difficile l’interprétation du signal utile.
Les chercheurs du projet 8, dirigés par le physicien expérimental du PNNL Noah Oblath, ont également développé une suite de logiciels spécialisés - chacun portant le nom de différents insectes - pour extraire des données brutes et les convertir en signaux pouvant être analysés. Les ingénieurs du projet ont également enfilé leur chapeau de bricoleur et inventé diverses pièces pour faire du projet 8 un succès.
Nowitzki a déclaré : « Nos ingénieurs sont essentiels à ce travail. Du point de vue d'un ingénieur, il s'agit d'une approche profane. La physique expérimentale est à l'interface de la physique et de l'ingénierie. manuels. "
Arriver à la ligne d'arrivée
Maintenant que l'équipe de recherche a prouvé que sa conception et son système expérimental peuvent fonctionner avec des molécules de tritium, ils ont une tâche urgente devant eux. Une partie de l’équipe travaille sur la prochaine étape : construire un système capable de générer, refroidir et capturer des atomes de tritium individuels. Cette étape est délicate car le tritium, comme son cousin l’hydrogène, plus abondant, préfère former des molécules. Ces molécules rendront impossible l’atteinte de l’objectif ultime de l’équipe du Projet 8. Dirigés par des physiciens de l’Université de Mayence, les chercheurs développent un banc d’essai pour créer et capturer du tritium atomique à l’aide d’un réseau complexe d’aimants. Cela empêche le tritium atomique d'entrer en contact avec les parois cellulaires de l'échantillon, car il reviendra presque certainement à sa forme moléculaire au niveau de la paroi cellulaire.
Les progrès de cette technologie, ainsi que les mises à niveau de l'ensemble de l'instrument, seront des étapes critiques pour atteindre et finalement dépasser la sensibilité atteinte par l'équipe KATRIN.
Actuellement, une équipe de recherche composée de membres de dix instituts de recherche teste des modèles pour faire évoluer les expériences d'une chambre d'échantillonnage de la taille d'un pois à une chambre mille fois plus grande. L'idée est d'utiliser des appareils d'écoute plus grands pour capturer davantage d'événements de désintégration bêta - de la taille d'un pois à la taille d'un ballon de plage.
"Le projet 8 n'est pas seulement une expérience CRES plus grande et meilleure, c'est la première expérience CRES et la première à utiliser cette technologie de détection", a déclaré Oblath. "Cela n'a jamais été fait auparavant. La plupart des expériences datent de 50 ou 100 ans, du moins la technologie de détection qu'elles utilisent, et c'est vraiment nouveau."