Masse du neutrino
Que les neutrinos possèdent une masse est établi depuis 1998. Quelle est sa valeur, personne ne le sait à ce jour. On ne connaît que des limites supérieures et inférieures — et elles sont très éloignées l'une de l'autre.
C'est la seule masse de particule du modèle standard qui soit restée indéterminée.
Ce que l'oscillation révèle — et ce qu'elle ne révèle pas
L'oscillation des neutrinos prouve la masse, car une particule sans masse ne pourrait pas se transformer. Mais elle ne fournit que des différences de carrés de masses, jamais des valeurs absolues :
| Grandeur | valeur mesurée |
|---|---|
| Δm²₂₁ | environ 7,5 × 10⁻⁵ eV² |
| Δm²₃₁ | environ 2,5 × 10⁻³ eV² |
De ces différences découle une limite inférieure : le plus lourd des trois états doit peser au moins environ 0,05 électronvolt. Moins n'est pas possible, sinon les écarts ne concorderaient plus.
Vers le haut, elles ne disent rien. Les trois masses pourraient aussi bien se situer à un électronvolt, avec les mêmes petits écarts entre elles.
Trois voies vers la réponse
La voie cinématique. KATRIN mesure l'extrémité supérieure du spectre des électrons lors de la désintégration bêta du tritium. Si le neutrino a une masse, le spectre s'achève un tout petit peu plus tôt. Cette voie se passe d'hypothèses de modèle et repose uniquement sur la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement.
État 2025 : moins de 0,45 électronvolt. L'objectif de l'installation est 0,2.
La voie par la double désintégration bêta. Si l'on trouve la double désintégration bêta sans neutrino, on peut en déduire une masse effective. L'inconvénient : cela ne fonctionne que si le neutrino est sa propre antiparticule — la voie présuppose donc ce qu'elle doit contribuer à prouver.
La voie cosmologique. Les neutrinos étaient si nombreux dans l'Univers primitif que leur masse a influencé la formation des structures à grande échelle. De la répartition des galaxies et du fond diffus micro-ondes découlent des limites pour la somme des trois masses, plus strictes que tout ce qui s'obtient en laboratoire — elles dépendent toutefois du modèle cosmologique retenu.
Les trois voies sont indépendantes les unes des autres. Si elles aboutissaient à des résultats incompatibles, ce serait en soi une découverte.
L'ordre resté ouvert
Outre la valeur, la disposition est elle aussi inconnue.
Dans la hiérarchie normale, deux états sont légers et un nettement plus lourd. Dans la hiérarchie inversée, c'est l'inverse. Les deux s'accordent avec toutes les mesures effectuées jusqu'ici.
JUNO doit trancher à partir de la fine structure ondulée dans le spectre des neutrinos de réacteur, DUNE par l'effet MSW lors de la traversée de la croûte terrestre.
De la réponse dépend plus qu'un numéro d'ordre. Dans la disposition inversée, la double désintégration bêta sans neutrino serait nettement plus facile à trouver — dans la disposition normale, elle pourrait rester hors d'atteinte pour un temps prévisible.
Pourquoi la petitesse est elle-même une énigme
L'électron, la plus légère des particules chargées, pèse 511 000 électronvolts. Un neutrino pèse au moins un million de fois moins.
Toutes les autres masses du modèle standard se situent à quelques ordres de grandeur les unes des autres. Les neutrinos sortent du cadre — et cela si largement que le hasard comme explication ne satisfait personne.
La tentative d'explication la plus connue est le mécanisme de bascule (seesaw) : la petitesse serait l'ombre de particules partenaires très lourdes, jusqu'ici non observées.
Pourquoi la valeur compte
Les neutrinos sont si nombreux que même une masse minuscule pèse dans la balance. Si l'on additionne tous les neutrinos de l'Univers observable, ils contribuent, selon la masse, à peu près autant que toutes les étoiles visibles — ou nettement plus.
La masse du neutrino est ainsi une grandeur de la cosmologie et de la physique des particules à la fois. C'est rare, et cela explique pourquoi des communautés scientifiques si différentes en attendent la réponse.
Termes associés
- KATRIN — la mesure directe
- Mécanisme de bascule (seesaw) — la tentative d'explication
- Double désintégration bêta — le deuxième accès
- JUNO — la question de l'ordre
Sources
- Collaboration KATRIN : Direct neutrino-mass measurement based on 259 days of KATRIN data, Science 388, 180 (2025).
- Particle Data Group : Review of Particle Physics, section Neutrino Masses, Mixing, and Oscillations.