Le Fond Diffus Cosmologique de Neutrinos

Vous connaissez sans doute, si vous êtes fidèle lecteur, ce qu'on appelle le fond diffus cosmologique (CMB par son acronyme anglais), ces photons qui nous parviennent d'une époque où l'Univers n'avait que 280000 ans et était 1000 fois plus petit qu'aujourd'hui.  Il a notamment été mesuré avec une très grande précision par le satellite Planck, dont nous avons amplement parlé ici. Ce fond diffus de photons nous permet de tirer de précieuses informations sur la jeunesse de l'Univers et sur ses caractéristiques aujourd'hui. Mais il existe un autre fond diffus, encore plus ancien, et potentiellement encore plus instructif sur les premières secondes de l'Univers: le fond diffus cosmologique de neutrinos.

Le fond diffus de neutrinos possède des similarités avec le fond diffus de photons. Il apparaît lors d'un découplage entre particules. Dans les fractions de secondes suivant la singularité initiale, coexistent dans l'Univers électrons, positrons, quarks, antiquarks, neutrinos, antineutrinos et photons.

Fond diffus cosmologique (photons) (Planck Collaboration)

De par leur interaction faible avec les électrons, les neutrinos se "libèrent" de leur emprise à une température (ou énergie) bien plus grande que les photons, qui interagissent eux par interaction électromagnétique avec les électrons. Qui dit énergie bien plus grande dit  bien plus tôt.

Alors que le découplage photons-électrons a lieu à une température de l'ordre de 3000 Kelvins, celui des neutrinos prend place lorsque la température avoisine les 10 milliards de Kelvins, soit une énergie d'environ 1 MeV. Cette température correspond à un âge de 1 seconde seulement! Les neutrinos reliques formant le fond diffus de neutrinos nous donnent ainsi une image de l'Univers lorsqu'il n'avait que 1 seconde...

C'est dire l’intérêt extrême qui existe à pouvoir mesurer ce fond diffus de neutrinos. Mais voilà, il n'y a rien de plus difficile à mesurer. Non seulement le nombre de ces neutrinos reliques qui nous parviennent est faible (leur densité est estimée à 56 neutrinos/cm³, alors qu'elle est de 370 photons/cm³ pour le fond diffus cosmologique de photons), mais leurs interactions avec la matière, qui doit nous permettre de les détecter, est elle aussi extrêmement faible. Les neutrinos n'interagissent presque pas, ils peuvent aisément traverser de part en part toute une planète sans être arrêtés...

Mais les physiciens cherchent tout de même des pistes pour détecter ces neutrinos primordiaux.

L'une des pistes envisagées est une détection indirecte : si une source de rayonnements ultra énergétiques (typiquement un GRB produit par une supernova ou un trou noir) produit des neutrinos ultra-énergétiques, dont l'énergie dépasse 10²² eV, ceux-ci pourraient interagir avec les neutrinos du fond diffus (qui eux ont une énergie très faible désormais) pour former des bosons Z qui se désintégreraient rapidement en gerbes de particules comme des électrons et des positrons énergétiques, détectables par nos détecteurs de rayons cosmiques habituels.

Désintégration béta du tritium (philica.com)

Cette méthode a le gros désavantage d'être très indirecte. Une autre méthode, directe celle-là, est donc envisagée sérieusement pour détecter ces neutrinos reliques qui nous entourent, nous imprègnent et nous traversent continuellement...

Cette méthode de détection directe repose sur le phénomène de radioactivité béta. Lors de la désintégration béta, un électron et un antineutrino électronique sont émis simultanément par le noyau radioactif. Ils emportent tous les deux une partie de l'énergie de la réaction, la somme étant toujours la même et ne dépendant que de l'isotope concerné. 

Il se trouve que la réaction inverse est possible : si un neutrino électronique est absorbé par un tel noyau radioactif (le tritium, isotope radioactif de l'hydrogène, est une bonne cible), il peut y avoir émission d'un électron tout seul (sans antineutrino) qui emporte toute l'énergie de la réaction plus celle de la masse du neutrino incident.

Si cela arrive, la mesure de l'énergie de tous les électrons émis par le tritium (le spectre en énergie) doit donc montrer une petite (toute petite) partie qui a une énergie un tout petit supérieure à toutes les autres... La différence est en fait égale à deux fois la masse du neutrino électronique.

Vu comme ça, ça à l'air facile. Mais je ne vous ai pas encore parlé de la probabilité qu'une telle réaction ait lieu...

Il existe une expérience germano-russe, appelée KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment), qui justement utilise une source de tritium  de 20 µg, pour observer de très près l'énergie des électrons qui en sont émis, dans le but de déterminer la masse des antineutrinos électroniques. Le calcul développé par A. Fässler et ses collègues montre qu'avec cette source, le nombre d'interactions de neutrinos du fond diffus est de 1 tous les 590 000 ans!

Ligne de faisceau de KATRIN : a) source de tritium gazeux moléculaire, b) section de transport des électrons, c) préspectromètre, d) spectromètre principal (analyse de haute précision de l'énergie des électrons), e) détecteur: détection des électrons transmis.

Mais ils ne perdent pas espoir pour autant, ces physiciens acharnés... Ils considèrent une variante optimiste qui montre que les neutrinos reliques, comme ils possédent une petite masse, peuvent subir une agglomération au sein des galaxies, augmentant ainsi considérablement leur densité initiale de 56/cm³ à plus de 50 millions/cm³. Avec cette hypothèse la plus optimiste, ils parviennent à calculer un taux d'interaction de 1,7 coups par an. C'est mieux.

Mais c'est encore trop peu. Alors, comme le calcul a été effectué à partir de la source existante de l'expérience KATRIN, nos chers physiciens proposent donc d'utiliser une bien plus grosse source de tritium, de 2 mg par exemple, ce qui permet d'augmenter d'un facteur 100 le nombre d'interactions pour atteindre 160/an. Et là ça devient envisageable...

Il reste en fait un dernier petit verrou technologique qui est le détecteur d'électrons. Ce dernier doit avoir une excellente résolution en énergie, suffisante pour pouvoir distinguer des fractions d'électron-volts, ce qui est encore aujourd'hui un petit challenge. Mais même si le détecteur de KATRIN n'a pas une résolution suffisante, le comptage dans la zone d'intérêt devrait tout de même permettre de fixer des limites sur la densité des neutrinos reliques, ce qui est déjà un résultat excellent...

A quand une cartographie complète du fond diffus de neutrinos aussi précise que celle de Planck en photons ? Les paris sont lancés, et la recherche est en marche.

Référence :

Search for the Cosmic Neutrino Background and KATRIN

Amand Faessler et al.

http://arxiv.org/pdf/1304.5632v3.pdf (4 mai 2013)