Vue de dessous dans l'expérience GERDA :L'enveloppe de fibre de l'argon liquide veto et du cuivre. Crédit :Collaboration V. Wagner/GERDA
Pourquoi y a-t-il plus de matière que d'antimatière dans l'univers ? La raison pourrait être cachée dans la nature des neutrinos :l'un des modèles théoriques préférés suppose, que ces particules élémentaires étaient identiques à leurs propres antiparticules. Cela conduirait à son tour à un processus de désintégration nucléaire extrêmement rare, la désintégration double bêta sans neutrino (0νββ). L'expérience GERDA a maintenant atteint une amélioration des plus importantes dans la recherche de la désintégration 0νββ en réduisant les perturbations (arrière-plan) à un niveau sans précédent, ce qui en fait la première expérience "sans arrière-plan" dans le domaine. Cette réalisation est rapportée dans le récent La nature article paru le 6 avril, 2017.
Les neutrinos sont des particules fantomatiques extrêmement difficiles à détecter. Ils jouent un rôle central dans la façon dont le soleil brûle, comment les supernovae explosent et comment les éléments se forment pendant le big bang. La détermination de leurs propriétés a considérablement avancé notre compréhension des particules élémentaires, le mieux documenté par le fait que jusqu'à présent quatre prix Nobel ont été décernés à des recherches liées aux neutrinos. Une propriété fondamentale est encore inconnue :les neutrinos sont-ils des particules de Majorana, c'est-à-dire identiques à leurs propres anti-particules ? Dans ce cas, la décroissance 0νββ existera. De solides arguments théoriques favorisent cette possibilité et l'absence d'antimatière mentionnée ci-dessus dans notre univers est probablement liée au caractère Majorana des neutrinos.
La double désintégration bêta "normale" est un processus rare autorisé où deux neutrons d'un noyau se désintègrent simultanément en deux protons, deux électrons et deux anti-neutrinos. Il a été observé pour certains noyaux comme 76Ge, où une seule décroissance bêta n'est pas possible. Les électrons et les anti-neutrinos quittent le noyau, seuls les électrons peuvent être détectés. Dans la désintégration 0νββ, aucun neutrinos ne quitte le noyau et la somme des énergies des électrons est identique à la libération d'énergie bien connue de la désintégration. La mesure d'exactement cette énergie est la signature principale de la désintégration 0νββ.
Préparation de l'expérience GERDA :descente de la barrette de détecteurs au germanium dans le réservoir d'argon liquide - vue de dessus.
En raison de l'importance de la désintégration 0νββ dans la révélation du caractère des neutrinos et de la nouvelle physique, il existe environ une douzaine d'expériences dans le monde utilisant différentes techniques et isotopes. L'expérience GERDA est l'une des expériences phares dans le domaine, menée par une Collaboration Européenne. Il est situé dans les Laboratori Nazionali del Gran Sasso souterrains de l'organisation de recherche italienne INFN.
GERDA utilise des détecteurs au germanium de haute pureté enrichis en isotope 76Ge. Puisque le germanium est à la fois source et détecteur, une configuration compacte avec un minimum de matériaux supplémentaires peut être réalisée, ce qui permet d'obtenir des arrière-plans faibles et une efficacité de détection élevée. L'excellente résolution en énergie des détecteurs au germanium et les nouvelles techniques expérimentales développées par la collaboration GERDA permettent une suppression sans précédent des événements perturbateurs provenant d'autres désintégrations radioactives (événements de fond). Puisque la désintégration 0νββ a une demi-vie de plusieurs ordres de grandeur plus longue que l'âge de l'univers, la réduction des événements de fond est la plus cruciale pour la sensibilité.
Les détecteurs au germanium nu fonctionnent dans 64 m 3 d'argon liquide à une température de -190 degrés Celsius. Le conteneur d'argon lui-même est à l'intérieur d'un 590 m 3 réservoir rempli d'eau pure qui à son tour est protégée par la montagne du Gran Sasso contre les rayons cosmiques. L'argon et l'eau utilisés sont extrêmement purs en uranium et thorium; les liquides agissent comme un bouclier supplémentaire contre la radioactivité naturelle de l'environnement. Leur instrumentation fournit des moyens supplémentaires d'identification des antécédents.
Les nouvelles techniques employées par GERDA ont réduit le nombre d'événements de fond de telle manière, qu'il s'agit désormais de la première expérience "sans arrière-plan" dans le domaine. Aucune désintégration 0νββ n'a été observée au cours des cinq premiers mois de prise de données et une limite de demi-vie inférieure de 5x10 25 an a été dérivé. Jusqu'à la fin de la prise de données en 2019, aucun événement de fond ne devrait être laissé dans la région d'énergie où le signal 0νββ est attendu et une sensibilité de 10 26 an sera atteint. Cela rend GERDA le mieux adapté pour découvrir un signal, qui se manifesterait par un petit nombre d'événements à l'énergie du signal.
