Le premier aperçu des données de la gamme complète d'un détecteur de particules profondément refroidi fonctionnant sous une montagne en Italie définit les limites les plus précises à ce jour sur les endroits où les scientifiques pourraient trouver un processus théorisé pour aider à expliquer pourquoi il y a plus de matière que d'antimatière dans l'univers.

Ce nouveau résultat, publié en ligne sur arXiv.org et soumis aujourd'hui à la revue Lettres d'examen physique , est basé sur deux mois de données collectées à partir du détecteur complet de l'expérience CUORE (Observatoire souterrain cryogénique pour les événements rares) des laboratoires nationaux du Gran Sasso (LNGS) de l'Institut national italien de physique nucléaire (INFN) en Italie. CUORE signifie "coeur" en italien.

Le laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère de l'Énergie (Berkeley Lab) dirige l'effort de physique nucléaire des États-Unis pour la collaboration internationale CUORE, qui compte environ 150 membres issus de 25 institutions. Le programme américain de physique nucléaire a apporté des contributions substantielles à la fabrication et au leadership scientifique du détecteur CUORE.

CUORE est considéré comme l'un des efforts les plus prometteurs pour déterminer si de minuscules particules élémentaires appelées neutrinos, qui n'interagissent que rarement avec la matière, sont des "particules Majorana" - identiques à leurs propres antiparticules. La plupart des autres particules sont connues pour avoir des antiparticules qui ont la même masse mais une charge différente, par exemple. CUORE pourrait également nous aider à déterminer les masses exactes des trois types, ou "saveurs, " des neutrinos - les neutrinos ont la capacité inhabituelle de se transformer en différentes formes.

"C'est le premier aperçu de ce qu'un instrument de cette taille est capable de faire, " a déclaré Oliviero Cremonesi, chercheur principal à l'INFN et porte-parole de la collaboration CUORE. Déjà, la sensibilité de l'ensemble du réseau de détecteurs a dépassé la précision des mesures rapportées en avril 2015 après un essai réussi de deux ans qui a enrôlé une tour de détection. Au cours des cinq prochaines années, CUORE collectera environ 100 fois plus de données.

Iouri Kolomensky, chercheur principal au sein de la Division des sciences nucléaires du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et porte-parole américain de la collaboration CUORE, mentionné, "Le détecteur fonctionne exceptionnellement bien et ces deux mois de données suffisent à dépasser les limites précédentes." Kolomensky est également professeur au département de physique de l'UC Berkeley.

Les nouvelles données fournissent une plage étroite dans laquelle les scientifiques pourraient s'attendre à voir toute indication du processus de particules qu'il est conçu pour trouver, connue sous le nom de double désintégration bêta sans neutrino.

"CUORE est, en substance, l'un des thermomètres les plus sensibles au monde, " a déclaré Carlo Bucci, coordinateur technique de l'expérience et porte-parole italien de la collaboration CUORE. Ses détecteurs, formé de 19 "tours" à charpente de cuivre qui abritent chacune une matrice de 52 en forme de cube, cristaux de dioxyde de tellure hautement purifiés, sont suspendus dans la chambre la plus intérieure de six réservoirs emboîtés.

Refroidi par le réfrigérateur le plus puissant de sa catégorie, les réservoirs soumettent le détecteur à la température la plus froide connue enregistrée dans un volume d'un mètre cube dans l'univers entier :moins 459 degrés Fahrenheit (10 milliKelvin).

Le réseau de détecteurs a été conçu et assemblé sur une période de 10 ans. Il est à l'abri de nombreuses particules extérieures, comme les rayons cosmiques qui bombardent constamment la Terre, par le 1, 400 mètres de rocher au-dessus, et par un blindage de plomb épais qui comprend une forme de plomb appauvri en radiations sauvé d'un ancien naufrage romain. D'autres matériaux de détection ont également été préparés dans des conditions ultrapures, et les détecteurs ont été assemblés dans de l'azote, boîtes à gants scellées pour éviter la contamination par l'air ordinaire.

"Conception, imeuble, et l'exploitation de CUORE a été un long voyage et une réalisation fantastique, " dit Ettore Fiorini, un physicien italien qui a développé le concept des détecteurs thermosensibles de CUORE (bolomètres au dioxyde de tellure), et le porte-parole émérite de la collaboration CUORE. "L'utilisation de détecteurs thermiques pour étudier les neutrinos a pris plusieurs décennies et a conduit au développement de technologies qui peuvent maintenant être appliquées dans de nombreux domaines de recherche."

Ensemble pesant plus de 1, 600 livres, La matrice de cristaux de la taille d'un poing de CUORE est extrêmement sensible aux processus particulaires, surtout à cette température extrême. Les instruments associés peuvent mesurer avec précision les variations de température les plus légères des cristaux résultant de ces processus.

Les scientifiques du Berkeley Lab et du Lawrence Livermore National Laboratory ont fourni environ la moitié des cristaux pour le projet CUORE. En outre, l'équipe du Berkeley Lab a conçu et fabriqué les capteurs de température hautement sensibles - appelés thermistances dopées par transmutation neutronique - inventés par Eugene Haller, chercheur principal au sein de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et membre du corps professoral de l'UC Berkeley.

Les chercheurs du Berkeley Lab ont également conçu et construit une salle blanche spécialisée alimentée en air appauvri en radioactivité naturelle, afin que les détecteurs CUORE puissent être installés dans le cryostat dans des conditions ultrapropres. Et les scientifiques et ingénieurs du Berkeley Lab, sous la direction du postdoctorant UC Berkeley Vivek Singh, travaillé avec des collègues italiens pour mettre en service les systèmes cryogéniques CUORE, y compris un système de refroidissement particulièrement puissant appelé réfrigérateur à dilution.

Tom Banks et Tommy O'Donnell, anciens étudiants postdoctoraux de l'UC Berkeley, qui avait également des nominations conjointes à la Division des sciences nucléaires du Berkeley Lab, a dirigé l'équipe internationale de physiciens, ingénieurs, et techniciens à assembler plus de 10, 000 pièces dans des tours dans des boîtes à gants remplies d'azote. Ils se sont liés presque 8, 000 fils d'or, mesurant seulement 25 microns de diamètre, à des pastilles de 100 microns sur les capteurs de température, et sur des plots en cuivre connectés au câblage du détecteur.

Les mesures CUORE portent la signature révélatrice de types spécifiques d'interactions de particules ou de désintégrations de particules - un processus spontané par lequel une ou des particules se transforment en d'autres particules.

En désintégration double bêta, ce qui a été observé dans les expériences précédentes, deux neutrons dans le noyau atomique d'un élément radioactif deviennent deux protons. Aussi, deux électrons sont émis, ainsi que deux autres particules appelées antineutrinos.

Double désintégration bêta sans neutrinos, pendant ce temps - le processus spécifique que CUORE est conçu pour trouver ou exclure - ne produirait aucun antineutrinos. Cela signifierait que les neutrinos sont leurs propres antiparticules. Au cours de ce processus de désintégration, les deux particules d'antineutrinos s'effaceraient efficacement, ne laissant aucune trace dans le détecteur CUORE. Les preuves de ce type de processus de désintégration aideraient également les scientifiques à expliquer le rôle des neutrinos dans le déséquilibre entre la matière et l'antimatière dans notre univers.

La double désintégration bêta sans neutrino devrait être extrêmement rare, se produisant au plus (voire pas du tout) une fois tous les 100 septillions (1 suivi de 26 zéros) ans dans le noyau d'un atome donné. Le grand volume de cristaux détecteurs est destiné à augmenter considérablement la probabilité d'enregistrer un tel événement pendant la durée de vie de l'expérience.

Il existe une concurrence croissante de la part d'expériences nouvelles et planifiées pour déterminer si ce processus existe à l'aide de diverses techniques de recherche, et Kolomensky a noté, « La compétition aide toujours. Elle fait progresser, et aussi nous pouvons vérifier les résultats de l'autre, et s'entraider avec les techniques de sélection des matériaux et d'analyse des données."

Lindley Winslow du Massachusetts Institute of Technology, qui a coordonné l'analyse des données CUORE, mentionné, "Nous sommes incroyablement proches d'un territoire complètement inexploré et il existe de grandes possibilités de découverte. C'est une période passionnante pour participer à l'expérience."