Des physiciens nucléaires affiliés au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie ont joué un rôle de premier plan dans l'analyse des données d'une expérience de démonstration qui a atteint une précision record pour un matériau de détecteur spécialisé.

L'expérience CUPID-Mo fait partie d'un domaine d'expériences qui utilisent diverses approches pour détecter un processus particulaire théorisé, appelée désintégration double bêta sans neutrino, qui pourrait réviser notre compréhension des particules fantomatiques appelées neutrinos, et de leur rôle dans la formation de l'univers.

Les résultats préliminaires de l'expérience CUPID-Mo, sur la base de l'analyse menée par Berkeley Lab des données collectées de mars 2019 à avril 2020, a fixé une nouvelle limite mondiale pour le processus de désintégration double bêta sans neutrinos dans un isotope du molybdène connu sous le nom de Mo-100. Les isotopes sont des formes d'un élément qui transportent un nombre différent de particules non chargées appelées neutrons dans leurs noyaux atomiques.

Le nouveau résultat fixe la limite de la demi-vie de désintégration double bêta sans neutrino dans le Mo-100 à 1,4 fois mille milliards de milliards d'années (soit 14 suivis de 23 zéros), ce qui représente une amélioration de 30 % de la sensibilité par rapport à l'Observatoire Neutrino Ettore Majorana 3 (NEMO 3), une expérience précédente qui a fonctionné sur le même site de 2003 à 2011 et a également utilisé du Mo-100. Une demi-vie est le temps qu'il faut à un isotope radioactif pour éliminer la moitié de sa radioactivité.

Le processus de désintégration double bêta sans neutrino est théoriquement très lent et rare, et pas un seul événement n'a été détecté dans CUPID-Mo après un an de prise de données.

Alors que les deux expériences utilisaient du Mo-100 dans leurs réseaux de détecteurs, NEMO 3 a utilisé une forme de feuille de l'isotope tandis que CUPID-Mo a utilisé une forme de cristal qui produit des éclairs de lumière dans certaines interactions de particules.

Des expériences plus importantes qui utilisent différents matériaux de détection et qui fonctionnent pendant de plus longues périodes ont atteint une plus grande sensibilité, bien que le succès précoce signalé de CUPID-Mo ouvre la voie à une expérience de successeur prévue appelée CUPID avec un réseau de détecteurs qui sera 100 fois plus grand.

Contributions de Berkeley Lab à CUPID-Mo

Aucune expérience n'a encore confirmé l'existence du processus sans neutrinos. L'existence de ce processus confirmerait que les neutrinos servent de leurs propres antiparticules, et une telle preuve aiderait aussi à expliquer pourquoi la matière l'a emporté sur l'antimatière dans notre univers.

Toutes les données de l'expérience CUPID-Mo - l'acronyme CUPID signifie CUORE Upgrade with Particle IDentification, et "Mo" est pour le molybdène contenu dans le cristal du détecteur - est transmis du Laboratoire souterrain de Modane (Laboratoire souterrain de Modane) en France au supercalculateur Cori du Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique de Berkeley Lab.

Benjamin Schmidt, chercheur postdoctoral à la division des sciences nucléaires du Berkeley Lab, a dirigé l'effort global d'analyse des données pour le résultat CUPID-Mo, et a été soutenu par une équipe de chercheurs affiliés à Berkeley Lab et d'autres membres de la collaboration internationale.

Berkeley Lab a également fourni 40 capteurs qui ont permis la lecture des signaux captés par le réseau de détecteurs à 20 cristaux de CUPID-Mo. Le tableau a été surfondu à environ 0,02 kelvin, ou moins 460 degrés Fahrenheit, maintenir sa sensibilité. Ses cristaux cylindriques contiennent du lithium, oxygène, et l'isotope Mo-100, et produisent de minuscules éclairs de lumière dans les interactions de particules.

L'effort international pour produire le résultat CUPID-Mo est remarquable, Schmidt a dit, étant donné le contexte de la pandémie mondiale qui avait semé l'incertitude sur la poursuite du fonctionnement de l'expérience.

"Pendant un moment, il semblait que nous devions arrêter prématurément l'expérience CUPID-Mo en raison de l'épidémie de COVID-19 en Europe début mars et des difficultés associées pour fournir à l'expérience les liquides cryogéniques nécessaires, " il a dit.

Il ajouta, « Malgré cette incertitude et les changements liés à la fermeture des bureaux et des écoles, ainsi qu'un accès restreint au laboratoire souterrain, nos collaborateurs ont fait tout leur possible pour que l'expérience continue pendant la pandémie."

Schmidt a attribué les efforts du groupe d'analyse de données qu'il a dirigé pour trouver un moyen de travailler à domicile et produire les résultats de l'expérience à temps pour les présenter à Neutrino 2020, une conférence internationale virtuelle sur la physique et l'astrophysique des neutrinos organisée par le Fermi National Accelerator Laboratory. Les membres de la collaboration CUPID-Mo prévoient de soumettre les résultats pour publication dans une revue scientifique à comité de lecture.

Mise au point des détecteurs ultrasensibles

Un défi particulier dans l'analyse des données, Schmidt a dit, consistait à s'assurer que les détecteurs étaient correctement calibrés pour enregistrer « l'ensemble d'événements extrêmement insaisissables » qui devraient être associés à un signal de double désintégration bêta sans neutrinos.

Le processus de désintégration sans neutrinos devrait générer un signal de très haute énergie dans le détecteur CUPID-Mo et un éclair de lumière. Le signal, parce qu'il est à une énergie si élevée, devrait être exempt d'interférences causées par des sources naturelles de radioactivité.

Pour tester la réponse de CUPID-Mo aux signaux de haute énergie, les chercheurs avaient placé d'autres sources de signaux à haute énergie, y compris Tl-208, un isotope radioactif du thallium, près du réseau de détecteurs. Les signaux générés par la désintégration de cet isotope sont à haute énergie, mais pas aussi élevée que l'énergie prévue pour être associée au processus de désintégration sans neutrinos dans le Mo-100, s'il existe.

"D'où, un grand défi était de nous convaincre que nous pouvons calibrer nos détecteurs avec des sources communes, en particulier Tl-208, " Schmidt a dit, "puis extrapoler la réponse du détecteur à notre région de signal et tenir compte correctement des incertitudes de cette extrapolation."

Pour améliorer encore l'étalonnage avec des signaux à haute énergie, les physiciens nucléaires ont utilisé le cyclotron de 88 pouces de Berkeley Lab pour produire un fil contenant du Co-56, un isotope du cobalt qui a un faible niveau de radioactivité, dès la réouverture du cyclotron le mois dernier suite à un arrêt temporaire en réponse à la pandémie de COVID-19. Le fil a été expédié en France pour être testé avec le réseau de détecteurs CUPID-Mo.

Préparation d'une expérience de nouvelle génération en Italie

Alors que CUPID-Mo peut maintenant être à la traîne par rapport à la sensibilité des mesures obtenues par d'autres expériences - qui utilisent des techniques et des matériaux de détection différents - car il est plus petit et n'a pas encore collecté autant de données, "Avec l'expérience CUPID complète, qui utilisera environ 100 fois plus de Mo-100, et avec 10 ans de fonctionnement, nous avons d'excellentes perspectives pour la recherche et la découverte potentielle de la désintégration double bêta sans neutrinos, " a déclaré Schmidt.

CUPID-Mo a été installé sur le site de l'expérience de recherche de matière noire Edelweiss III dans un tunnel de plus d'un mile de profondeur en France, près de la frontière italienne, et utilise certains composants Edelweiss III. CUPIDON, pendant ce temps, est proposé de remplacer l'expérience de recherche de double désintégration bêta sans neutrinos CUORE au Laboratoire national du Gran Sasso (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) en Italie. Alors que CUPID-Mo ne contient que 20 cristaux détecteurs, CUPID contiendrait plus de 1, 500.

« Après que CUORE ait terminé la prise de données dans deux ou trois ans, le détecteur CUPID pourrait prendre quatre ou cinq ans à construire, " a déclaré Yury Kolomensky, porte-parole américain de la collaboration CUORE et chercheur principal au Berkeley Lab, qui dirige la collaboration américaine de CUORE. "CUPID serait une mise à niveau relativement modeste en termes de coûts et de défis techniques, mais ce sera une amélioration significative en termes de sensibilité."

La prise de données de physique pour CUPID-Mo s'est terminée le 22 juin et les nouvelles données qui n'ont pas été prises en compte dans le dernier résultat représentent une croissance d'environ 20 à 30 % des données globales. CUPID-Mo est soutenu par un groupe de laboratoires français, et par des laboratoires aux États-Unis, Ukraine, Russie, Italie, Chine, et l'Allemagne.

Le NERSC est une installation utilisateur du DOE Office of Science.

La collaboration CUPID-Mo rassemble des chercheurs de 27 institutions, dont les laboratoires français Irfu/CEA et IJCLab à Orsay; IP2I à Lyon; et l'Institut Néel et le SIMaP à Grenoble, ainsi que des institutions aux États-Unis, Ukraine, Russie, Italie, Chine, et l'Allemagne.

L'expérience est soutenue par le Département américain de l'énergie Office of Science's Office of Nuclear Physics, programme informatique de recherche de Berkeley, Agence Nationale de la Recherche, Laboratoire International Associé (LIA) IDEATE, Fondation scientifique russe, Académie nationale des sciences d'Ukraine, Fondation nationale de la science, le Fonds France-Berkeley, le fonds MISTI-France, et l'Office for Science &Technology de l'Ambassade de France aux États-Unis.