KATRIN

KATRIN — le Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment — mesure la masse du neutrino. Non par des détours, mais directement : par la mesure précise d'une désintégration bêta.

L'installation se dresse à l'Institut de technologie de Karlsruhe et fournit depuis 2019 les limites supérieures les plus strictes au monde.

Pourquoi une mesure directe est nécessaire

L'oscillation des neutrinos prouve que les neutrinos possèdent une masse — mais elle ne livre que des différences de carrés de masses, jamais des valeurs absolues. On sait que les trois états ont des poids différents, mais non à quel point ils sont lourds.

La cosmologie fournit des limites à partir de la répartition de la matière dans l'Univers, mais celles-ci dépendent d'hypothèses de modèle.

KATRIN emprunte une troisième voie, qui se passe de telles hypothèses et ne repose que sur la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement.

Le principe

Lors de la désintégration du tritium naissent un noyau d'hélium, un électron et un antineutrino. L'énergie libérée se répartit entre l'électron et l'antineutrino.

À l'extrémité supérieure du spectre des électrons, là où l'électron reçoit presque toute l'énergie, il ne reste presque rien pour l'antineutrino. Si celui-ci a une masse, il faut alors fournir au moins l'énergie nécessaire pour cela — et le spectre s'arrête un tout petit peu plus tôt qu'il ne le ferait autrement.

Ce petit peu est la grandeur recherchée. Il s'agit de fractions d'électronvolt pour une énergie totale de 18,6 kiloélectronvolts — et du domaine dans lequel une désintégration sur mille milliards seulement aboutit.

On utilise le tritium parce qu'il a une énergie de désintégration très basse et une structure nucléaire simple. Les deux augmentent la sensibilité.

Le dispositif

L'installation mesure environ 70 mètres de long. À une extrémité se trouve la source de tritium, dans laquelle le gaz s'écoule à 30 kelvins. À l'autre extrémité, un détecteur.

Entre les deux se trouve le spectromètre principal : une enceinte à vide de 23 mètres de longueur et de 10 mètres de diamètre, pesant 200 tonnes. Il fonctionne comme un filtre électrostatique — seuls les électrons situés au-dessus d'une énergie réglable le traversent. En déplaçant ce seuil pas à pas, on relève le spectre.

À l'intérieur règne un vide de 10⁻¹¹ millibar, l'un des meilleurs au monde dans une enceinte de cette taille — comparable aux conditions de l'espace proche de la Terre.

Le voyage du spectromètre

L'enceinte a été construite à Deggendorf, sur le Danube. Jusqu'à sa destination, à Karlsruhe, il y a environ 400 kilomètres à vol d'oiseau.

Par la route, ce n'était pas faisable : la cuve ne passait sous aucun pont ni dans aucune traversée de village. Elle est donc partie par bateau — le Danube en aval, la mer Noire, la Méditerranée, le tour de la péninsule Ibérique, la Manche en remontant et le Rhin en descendant. Environ 8 600 kilomètres pour 400 kilomètres à vol d'oiseau.

Les derniers mètres à travers Leopoldshafen ont été les plus difficiles. Entre les maisons, il restait quelques centimètres de marge ; des milliers de curieux bordaient le parcours. Les images de ce trajet sont à ce jour les plus connues de l'installation.

Les résultats

Chacun de ces chiffres était, au moment de sa publication, le plus strict au monde. L'objectif de l'installation se situe à environ 0,2 électronvolt.

Une non-détection n'est ici pas un échec. Chaque limite abaissée exclut des modèles — et plus on s'approche du domaine que suggèrent les mesures d'oscillation, plus l'espace se resserre pour des explications comme le mécanisme de bascule.

Notions liées

• Masse du neutrino — la grandeur recherchée
• Désintégration bêta — le processus utilisé
• Mécanisme de bascule — pourquoi elle est si petite
• Double désintégration bêta — l'autre accès à la masse

Sources

• Collaboration KATRIN : Direct neutrino-mass measurement based on 259 days of KATRIN data, Science 388, 180 (2025).
• Collaboration KATRIN : Direct neutrino-mass measurement with sub-electronvolt sensitivity, Nature Physics 18, 160 (2022).