Africa-Press – Togo. Particule quasi insaisissable, le neutrino est produit en immense quantité par le Soleil, certaines étoiles, les supernovæ, mais aussi sur Terre dans les réacteurs nucléaires et dans la haute atmosphère. Il traverse la matière presque sans s’arrêter, car il est électriquement neutre et n’interagit que très faiblement. On en connaît trois types, appelés « saveurs »: électronique, muonique et tauique. Fait étonnant, un neutrino peut changer de saveur en voyageant: c’est le phénomène d’oscillation. Les scientifiques recherchent aussi d’éventuels neutrinos « stériles »: des neutrinos supplémentaires qui n’interagiraient que par la force faible, mais pourraient laisser une trace indirecte en se mélangeant aux trois neutrinos connus.
Cette recherche d’un neutrino stérile fait notamment partie du projet expérimental KATRIN (acronyme de « Karlsruhe Tritium Neutrino experiment »), qui a notamment déterminé sa masse maximale en avril 2025, évaluée à 0,45 électronvolt (eV). Thierry Lasserre, physicien des particules à l’Institut de technologie de Karlsruhe en Allemagne, nous dévoile les tenants et aboutissants de l’expérience de recherche du neutrino stérile à laquelle il a participé.
« Pour chaque atome dans l’Univers, on compte environ un milliard de neutrinos »
Sciences et Avenir: Le neutrino est l’une des particules les plus fondamentales de la matière ordinaire. En quoi est-il singulier dans le modèle standard de la physique des particules?
Thierry Lasserre: Le neutrino est une particule à part dans le modèle standard. Contrairement à l’électron ou aux quarks, il n’a ni charge électrique ni charge forte: il n’interagit donc ni avec la force électromagnétique ni avec la force nucléaire forte. La gravité, quant à elle, est négligeable à l’échelle des particules. Résultat: le neutrino n’interagit que par l’interaction faible. Il est capable de traverser la matière presque sans jamais s’arrêter.
Autre singularité frappante: les neutrinos sont les particules de matière les plus abondantes dans l’Univers. Pour chaque atome dans l’Univers, on compte environ un milliard de neutrinos. Individuellement presque indétectables, ils jouent pourtant un rôle majeur, aussi bien en physique des particules qu’en cosmologie, notamment dans l’évolution des grandes structures de l’Univers.
Enfin, leur masse demeure une énigme. Les neutrinos sont extrêmement légers – au moins un million de fois plus légers (0,45 électronvolt au maximum) que l’électron – et l’origine de leur masse reste non élucidée. Contrairement aux autres fermions (leptons et quarks, ndlr), nous ne savons pas encore avec certitude si leur masse provient du mécanisme du boson de Higgs.
« Certaines anomalies expérimentales suggèrent qu’il pourrait exister un quatrième type de neutrino »
La collaboration KATRIN s’attache, entre autres, à détecter une quatrième saveur du neutrino qualifiée de « stérile ». Vous avez eu recours à la méthode d’analyse de la spectroscopie de la radioactivité bêta du tritium. En quoi consiste cette méthode?
Dans le modèle standard, il existe trois types – ou « saveurs » – de neutrinos: électronique, muonique et tauique, chacun associé à une particule chargée. Depuis plusieurs décennies, certaines anomalies expérimentales suggèrent qu’il pourrait exister un quatrième type de neutrino, dit « stérile ». La clé pour le traquer repose sur un phénomène bien établi: les oscillations de neutrinos. Lorsqu’ils se propagent, les neutrinos peuvent changer spontanément de saveur. Si un neutrino stérile existait, il pourrait se manifester indirectement en se mélangeant aux neutrinos ordinaires, laissant ainsi une empreinte mesurable, même sans interaction directe.
L’expérience KATRIN s’appuie sur une méthode très différente des expériences classiques d’oscillation. Elle étudie avec une extrême précision la désintégration bêta du tritium, un isotope radioactif de l’hydrogène composé d’un proton et de deux neutrons. Lors de cette désintégration, un électron et un neutrino sont émis. Une centaine de désintégrations se produisent chaque seconde au sein du spectromètre de notre expérience. Les neutrinos étant indétectables directement, KATRIN se concentre alors sur l’électron.
Désintégration bêta du tritium, durant laquelle un noyau d’hélium 3, un électron et un antineutrino (ou neutrino) sont émis. Crédit: Collaboration KATRIN Cdt, Thierry Lasserre.
Le neutrino étant une particule interagissant faiblement avec la matière, comment peut-on prouver l’existence du quatrième état de la particule subatomique?
En mesurant finement l’énergie produite par l’électron via la spectroscopie bêta, on peut en déduire des informations sur le neutrino qui l’accompagne, grâce à la conservation de l’énergie. Dans le cas où le neutrino stérile est absent, le spectre en énergie des électrons représente une courbe calculable très précisément. En revanche, si un neutrino stérile est produit, avec une masse différente, cela créerait une discontinuité nette dans le spectre bêta du tritium. Cela correspondrait à l’émission d’un neutrino plus massif, ce que KATRIN recherche comme type de « signature ». Idéalement, cette observation devrait être confirmée par d’autres expériences indépendantes, utilisant des méthodes différentes. C’est cette convergence des résultats qui confirmerait l’hypothèse du neutrino stérile.
Cette approche scientifique est particulièrement robuste, car elle repose uniquement sur la forme du spectre. Les résultats publiés récemment, basés sur l’analyse de dizaines de millions d’électrons, imposent déjà des contraintes très fortes sur l’existence de neutrinos stériles dans la gamme de masse étudiée (inférieure à 0,45 eV).
« Le neutrino est-il distinct de son antiparticule, ou est-il sa propre antiparticule? »
Quelles sont les grandes questions qui demeurent sur la particule fantomatique? Que peut-on espérer pour améliorer la recherche du potentiel quatrième état du neutrino?
Plusieurs questions fondamentales demeurent. On ne connaît toujours pas la masse absolue des neutrinos, seulement les différences de masse entre eux. Leur hiérarchie exacte – lequel est le plus lourd ou le plus léger – reste également à déterminer.
Une autre question majeure concerne sa nature profonde: le neutrino est-il distinct de son antiparticule, ou est-il sa propre antiparticule? Si cette seconde hypothèse se confirmait, ce serait une découverte révolutionnaire, impliquant une nouvelle catégorie de particules et des mécanismes inédits pour expliquer leur masse.
Enfin, la possible existence de neutrinos stériles à d’autres échelles de masse, notamment dans la gamme du kiloélectronvolt, reste ouverte. Ces particules pourraient même contribuer à expliquer une partie de la matière noire. KATRIN a déjà éliminé une grande partie de l’espace des paramètres où les neutrinos stériles légers étaient attendus. De nouvelles améliorations instrumentales sont prévues à partir de 2027, afin d’explorer des neutrinos stériles plus lourds, potentiellement liés à la matière noire.
