La masse des neutrinos cernée par l'étude des galaxies

A l'heure où la physique des neutrinos est discutée par ses plus grands spécialistes au sein de la grande réunion Neutrino2016 qui se déroule à Londres cette semaine, une équipe d'astrophysiciens publie une étude fournissant une nouvelle estimation de la borne supérieure pour la masse des neutrinos, et ce à partir d'observations de galaxies.

Il s'agit du paramètre crucial de la somme des masses des trois espèces actives de neutrinos (les trois états propres qui donnent les neutrinos électronique, muonique et tauique). Les (astro)physiciens très majoritairement espagnols qui publient leur étude dans Physics of the Dark Universe, ont exploité des données de la distribution à grande échelle de galaxies provenant de grands relevés astronomiques comme le WangleZ Dark Energy Survey ou le Sloan Digital Sky Survey. Ils ont combiné ces données avec les données d'anisotropie de la température et de la polarisation de la lumière du fond diffus cosmologique enregistrées par le satellite Planck. Avec ces différentes données injectées dans le modèle cosmologique standard, ils parviennent à trouver que la somme des masses des trois neutrinos ne peut pas dépasser 0,37 eV à 95% de niveau de confiance. 

Mais ils ne se sont pas arrêté là, nos chercheurs sont allé chercher (sic) d'autres données indépendantes des précédentes, à savoir des données de ce qu'on appelle les oscillations acoustiques de baryons (BAO), qui se manifestent dans la distribution des amas de galaxies à très grande échelle reflétant les oscillations de la matière dans l'Univers primordial. Par l'ajout de ces contraintes observationnelles, le modèle cosmologique (de type ΛCDM standard) impose alors que la somme des masses des trois neutrinos ne doit pas dépasser 0,13 eV, toujours avec un niveau de confiance de 95%. Pour fixer les idées, un électron a une masse environ 4 millions de fois plus grande...

Ces déductions sont rendues possibles car la masse totale des neutrinos affecte directement le taux d'expansion de l'Univers ainsi que la formation et l'évolution des grandes structures galactiques, qui sont observables. L'équipe de Antonio Cuesta (Institut de Ciències del Cosmos (ICCUB), Université de Barcelone) a exploité deux populations de galaxies très différentes : d'une part des galaxies "lumineuses rouges" qui sont des galaxies massives évoluant lentement, que l'on estime peuplant préférentiellement le centre de halos de matière noire de la taille d'un amas, et d'autre part des galaxies "bleues" en train de former beaucoup d'étoiles et qui ont tendance à éviter les régions les plus denses et donc les centres des halos sombres. 

Cette nouvelle limite haute sur la somme des trois masses des neutrinos vient ainsi d'être divisée par un facteur 10 en l'espace de quelques années seulement... On sait que les neutrinos possèdent une masse depuis que l'on est sûrs qu'ils oscillent d'une saveur à l'autre et qu'ils sont composés de trois états de masse différents, depuis 1998. Depuis lors, les mesures toujours plus précises tendent à estimer l'ordre de grandeur de ces masses. Mais ces mesures s'avèrent extrêmement difficiles et on peut surtout estimer les écarts entre les masses des trois familles, ainsi que leur somme.  

Une autre inconnue, outre la masse totale des neutrinos est leur hiérarchie : lequel est le plus lourd et lequel est le plus léger ? Cette information revêt une importance particulière. On parle de hiérarchie "normale" ou de hiérarchie "inversée" selon que le troisième neutrino est le plus lourd ou le plus léger des trois. Or la théorie dit que si la somme des trois masses est inférieure à 0,092 eV, la hiérarchie doit nécessairement être "normale". On n'en est plus très loin !... En d'autres termes, il y a de plus en plus de chance pour que la hiérarchie des masses des neutrinos soit de type "normale", la fenêtre étant de plus en plus petite pour la hiérarchie inversée. Mais si la hiérarchie des masses est réellement inversée, cela implique que la valeur de la somme des masses des neutrinos est comprise entre 0,092 et 0,130 eV, et cette plage ne peut que s'affiner dans l'avenir...

Cette nouvelle limite haute pour la somme des masses des neutrinos a des conséquences sur des expériences qui recherchent actuellement à mettre en évidence que les neutrinos peuvent être leur propre anti-particule (neutrinos dits de Majorana). Ces expériences qui recherchent une désintégration radioactive très rare à double émission béta sans émission de neutrino, avec une masse totale aussi faible que 0,13 eV, selon les chercheurs espagnols, devraient utiliser des détecteurs de l'ordre de la tonne pour espérer voir quelque chose... Ce n'est pas forcément une bonne nouvelle pour elles, et pour la fameuse théorie de Ettore Majorana qui risque donc de devoir attendre encore quelques années pour être réfutée ou acclamée...

Source : 

Neutrino mass limits: Robust information from the power spectrum of galaxy surveys

Antonio J. Cuesta et al.

Physics of the Dark Universe 13 (2016) 77–86

http://dx.doi.org/10.1016/j.dark.2016.04.005

Illustrations :

1) Représentation schématique des trois saveurs de neutrinos composées des trois états propres de neutrinos (SuperKamiokande)

2) Illustration des oscillations acoustiques baryoniques (BOSS collaboration)

3) Les deux hiérarchies de masses possibles pour les trois états de neutrinos (Universität Gutenberg Mainz).