Sous le flanc d’une montagne italienne, un détecteur géant rempli de tonnes de xénon liquide a recherché la matière noire – des particules d’une substance mystérieuse dont nous pouvons voir les effets dans l’univers, mais que personne n’a jamais observée directement. En cours de route, cependant, le détecteur a attrapé une autre licorne scientifique : la désintégration d’atomes de xénon-124 – le processus le plus rare jamais observé dans l’univers.
Les résultats de l’expérience XENON1T, cosignés par des scientifiques de l’Université de Chicago et publiés le 25 avril dans la revue Nature, documentent la plus longue demi-vie de l’univers – et pourraient aider les scientifiques à traquer un autre processus mystérieux qui est l’un des grands mystères de la physique des particules.
Les atomes ne sont pas tous stables. Selon leur composition, certains se stabilisent en libérant des particules subatomiques et en se transformant en un atome d’un élément différent – un processus appelé désintégration radioactive.
Nous sommes beaucoup plus familiers avec les éléments radioactifs comme l’uranium et le plutonium – ce sont les adolescents sauvages des éléments radioactifs, qui lancent constamment des particules. Le radon 222, par exemple, a une demi-vie de seulement quatre jours. Certains éléments, cependant, se désintègrent très, très lentement. Le xénon-124 est l’un de ces aînés : sa demi-vie est un trillion de fois plus longue que l’âge de l’univers, et à ce titre, la probabilité de détecter sa désintégration est très faible.
« C’est la plus longue durée de vie que nous ayons jamais mesurée directement », a déclaré Luca Grandi, professeur adjoint de physique à l’Université de Chicago et co-auteur de l’étude. « Sa détection n’a été possible que grâce aux efforts considérables que la collaboration a déployés pour faire de XENON1T un détecteur à très faible bruit de fond. Cela a rendu le détecteur idéal pour les recherches d’événements rares, comme la détection de la matière noire – pour laquelle il a été conçu – ainsi que d’autres processus insaisissables. »
Grandi est l’un des scientifiques qui ont travaillé sur le détecteur XENON1T, une machine extrêmement sensible nichée à près d’un kilomètre sous la surface des montagnes du Gran Sasso en Italie. La profondeur et le gigantesque bassin d’eau dans lequel le détecteur est immergé protègent le détecteur des fausses alarmes provenant des rayons cosmiques et d’autres phénomènes alors qu’il recherche des preuves d’une particule appelée « WIMP », un candidat proposé pour la matière noire.
Le détecteur XENON1T est rempli de trois tonnes de xénon, qui est maintenu refroidi à moins 140 degrés Fahrenheit et constamment purifié (même quelques atomes se détachant des côtés métalliques du conteneur pourraient fausser les mesures). Le détecteur, que Grandi et l’équipe d’UChicago ont contribué à développer, construire et exploiter, détecte les flashs de lumière qui sont produits après qu’une particule a frappé un atome de xénon.
Le détecteur XENON1T est optimisé pour détecter des processus très rares, car les particules de matière noire sont censées interagir très rarement avec la matière ordinaire. Mais il peut aussi capter d’autres signaux : dans ce cas, les traces produites lors de la désintégration des atomes de xénon-124 à l’intérieur du détecteur. Il y a suffisamment d’atomes de xénon-124 à l’intérieur du détecteur pour que cela ait été observé 126 fois au cours de l’année où XENON1T a pris des données.
Ces données ont aidé la collaboration à effectuer la première mesure définitive de la demi-vie du xénon-124 : 18 milliards de trillions d’années.
Ce processus de désintégration est appelé double capture d’électrons à deux neutrinos. Il se produit lorsque deux protons du noyau de xénon absorbent chacun simultanément un électron de la coquille atomique et émettent un neutrino – convertissant les deux protons en neutrons.
Ce phénomène est étroitement lié à un autre processus qui intrigue les physiciens, appelé processus de double désintégration bêta. « Si les scientifiques observaient une version sans neutrinos de la double désintégration bêta, nous saurions qu’un neutrino est sa propre antiparticule », a déclaré Grandi. Si c’est le cas, cela obligerait les physiciens à revoir leur image du fonctionnement de l’univers – et pourrait même ouvrir la porte à certaines questions fondamentales, comme la raison pour laquelle il y a plus de matière que d’antimatière dans l’univers.
Personne n’a encore pu observer un tel événement, mais la mesure de la désintégration du xénon-124 donne aux scientifiques des informations sur la façon de le rechercher – en clouant les paramètres des modèles des scientifiques et en réduisant le risque d’erreurs de la technique qu’ils utilisent pour rechercher les désintégrations double bêta sans neutrinos.
« Au-delà de la contrainte des modèles nucléaires pour les recherches de double bêta, cette découverte nous indique qu’il pourrait être possible d’utiliser les futurs détecteurs massifs de xénon pour rechercher les doubles captures d’électrons sans neutrinos – une variante encore plus rare qui, si elle est détectée, nous indiquerait également la nature des neutrinos », a déclaré Grandi.
Le détecteur XENON1T fait actuellement l’objet d’une mise à niveau pour augmenter sa sensibilité ; il est prévu qu’il recommence à prendre des données à la fin de cette année sous le nom de XENONnT, avec trois fois plus de xénon et un ordre de grandeur de plus de sensibilité.
Les autres scientifiques d’UChicago ayant participé à l’article étaient le chercheur postdoctoral Jacques Pienaar ; les étudiants diplômés Evan Shockley, Nicholas Upole et Katrina Miller ; le chercheur postdoctoral Christopher Tunnell (maintenant à l’Université Rice) ; et le spécialiste des données Benedikt Riedel (maintenant à l’Université du Wisconsin-Madison).
Citation : « Première observation de la double capture d’électrons par deux neutrinos dans le 124Xe avec XENON1T ». Aprile et al, Nature, 24 avril 2019.
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