Si des quantités égales de matière et d'antimatière s'étaient formées dans le Big Bang il y a plus de 13 milliards d'années, l'un aurait anéanti l'autre en se rencontrant, et l'univers d'aujourd'hui serait plein d'énergie mais peu importe de former des étoiles, planètes et vie. Pourtant, la matière existe maintenant. Ce fait suggère que quelque chose ne va pas avec les équations du modèle standard décrivant la symétrie entre les particules subatomiques et leurs antiparticules. Dans une étude publiée dans Lettres d'examen physique , collaborateurs du DÉMONSTRATEUR MAJORANA, une expérience menée par le laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie, ont montré qu'ils peuvent protéger un sensible, réseau de détecteurs au germanium évolutif de 44 kilogrammes à partir de la radioactivité de fond.

Cette réalisation est essentielle pour développer et proposer une future expérience beaucoup plus vaste, avec environ une tonne de détecteurs, pour étudier la nature des neutrinos. Ces particules électriquement neutres n'interagissent que faiblement avec la matière, rendant leur détection extrêmement difficile.

"L'excès de matière sur l'antimatière est l'un des mystères les plus convaincants de la science, " a déclaré John Wilkerson de l'ORNL et de l'Université de Caroline du Nord, Colline de la Chapelle. Wilkerson dirige le DÉMONSTRATEUR MAJORANA, qui implique 129 chercheurs de 27 institutions et 6 nations. "Notre expérience cherche à observer un phénomène appelé" désintégration double bêta sans neutrinos " dans les noyaux atomiques. L'observation démontrerait que les neutrinos sont leurs propres antiparticules et ont de profondes implications pour notre compréhension de l'univers. En outre, ces mesures pourraient fournir une meilleure compréhension de la masse des neutrinos."

Dans un rapport de 2015 du Comité consultatif américain sur la science nucléaire au ministère de l'Énergie et à la National Science Foundation, une expérience à l'échelle d'une tonne dirigée par les États-Unis pour détecter la désintégration double bêta sans neutrinos a été considérée comme une priorité absolue de la communauté de la physique nucléaire. Près d'une douzaine d'expériences ont recherché la désintégration double bêta sans neutrinos, et autant d'expériences futures ont été proposées. L'une des clés de leur succès consiste à éviter le bruit de fond qui pourrait imiter le signal d'une double désintégration bêta sans neutrinos.

C'était l'accomplissement clé du DÉMONSTRATEUR MAJORANA. Sa mise en œuvre s'est achevée dans le Dakota du Sud en septembre 2016, près d'un mile sous terre à l'installation de recherche souterraine de Sanford. L'implantation de l'expérience sous près d'un mile de roche a été la première des nombreuses mesures prises par les collaborateurs pour réduire les interférences dues au bruit de fond. D'autres étapes comprenaient un cryostat fait du cuivre le plus pur au monde et un bouclier complexe à six couches pour éliminer les interférences des rayons cosmiques, radon, poussière, les empreintes digitales et les isotopes radioactifs naturels.

« Si vous recherchez une désintégration double bêta sans neutrinos, il est essentiel de savoir que le fond radioactif ne va pas submerger le signal que vous recherchez, " a déclaré David Radford de l'ORNL, un scientifique principal dans l'expérience.

Il existe de nombreuses façons pour un noyau atomique de se désintégrer. Un mode de désintégration commun se produit lorsqu'un neutron à l'intérieur du noyau émet un électron (appelé « bêta ») et un antineutrino pour devenir un proton. Dans la désintégration double bêta à deux neutrinos, deux neutrons se désintègrent simultanément pour produire deux protons, deux électrons et deux antineutrinos. Ce processus a été observé. La collaboration MAJORANA cherche des preuves d'un processus de décomposition similaire qui n'a jamais été observé, dans lequel aucun neutrinos n'est émis.

Conservation du nombre de leptons - particules subatomiques telles que les électrons, des muons ou des neutrinos qui ne participent pas aux interactions fortes – a été inscrit dans le modèle standard de physique. "Il n'y a pas vraiment de bonne raison à cela, juste l'observation qu'il semble que ce soit le cas, " dit Radford. " Mais si le nombre de leptons n'est pas conservé, lorsqu'il est ajouté à des processus que nous pensons avoir eu lieu au tout début de l'univers, cela pourrait aider à expliquer pourquoi il y a plus de matière que d'antimatière."

De nombreux théoriciens pensent que le nombre de leptons n'est pas conservé, que le neutrino et l'antineutrino - qui étaient supposés avoir des nombres de leptons opposés - sont en réalité la même particule tournant de différentes manières. Le physicien italien Ettore Majorana a introduit ce concept en 1937, prédire l'existence de particules qui sont leurs propres antiparticules.

Le DÉMONSTRATEUR MAJORANA utilise des cristaux de germanium à la fois comme source de désintégration double bêta et comme moyen de la détecter. Le germanium-76 (Ge-76) se désintègre pour devenir du sélénium-76, qui a une masse plus petite. Lorsque le germanium se désintègre, la masse est convertie en énergie qui est emportée par les électrons et les antineutrinos. « Si toute cette énergie va aux électrons, alors il n'en reste plus pour les neutrinos, " Radford a déclaré. "C'est un identifiant clair que nous avons trouvé l'événement que nous recherchons. "

Les scientifiques distinguent les modes de désintégration à deux neutrinos des modes de désintégration sans neutrino par leurs signatures énergétiques. "C'est une idée fausse commune que nos expériences détectent les neutrinos, " a déclaré Jason Detwiler de l'Université de Washington, qui est co-porte-parole de la Collaboration MAJORANA. "C'est presque comique de le dire, mais nous recherchons l'absence de neutrinos. Dans la désintégration sans neutrinos, l'énergie libérée est toujours une valeur particulière. Dans la version à deux neutrinos, l'énergie libérée varie mais est toujours plus petite que pour la désintégration double bêta sans neutrino."

Le DÉMONSTRATEUR MAJORANA a montré que la demi-vie de désintégration bêta double sans neutrinos du Ge-76 est d'au moins 10 ²⁵ ans, 15 ordres de grandeur de plus que l'âge de l'univers. Il est donc impossible d'attendre qu'un seul noyau de germanium se désintègre. "On contourne l'impossibilité de regarder un noyau pendant longtemps en regardant plutôt de l'ordre de 10 ²⁶ noyaux pendant un laps de temps plus court, " a expliqué le co-porte-parole Vincente Guiseppe de l'Université de Caroline du Sud.

Les chances de détecter une désintégration double bêta sans neutrinos dans le Ge-76 sont rares - pas plus de 1 pour 100, 000 désintégrations double bêta à deux neutrinos, dit Guiseppe. L'utilisation de détecteurs contenant de grandes quantités d'atomes de germanium augmente la probabilité de repérer les désintégrations rares. Entre juin 2015 et mars 2017, les scientifiques n'ont observé aucun événement avec le profil énergétique de la désintégration sans neutrinos, le processus qui n'a pas encore été observé (ce qui était attendu étant donné le petit nombre de noyaux de germanium dans le détecteur). Cependant, ils ont été encouragés à voir de nombreux événements avec le profil énergétique des désintégrations à deux neutrinos, vérifier que le détecteur pourrait repérer le processus de désintégration qui a été observé.

Les résultats de la Collaboration MAJORANA coïncident avec les nouveaux résultats d'une expérience concurrente en Italie appelée GERDA (pour GERmanium Detector Array), qui adopte une approche complémentaire pour étudier le même phénomène. « Le DÉMONSTRATEUR MAJORANA et le GERDA ont ensemble le bruit de fond le plus bas de toutes les expériences de désintégration double bêta sans neutrinos, " dit Radford.

Le DEMONSTRATOR a été conçu pour jeter les bases d'une expérience à l'échelle d'une tonne en démontrant que les bruits de fond peuvent être suffisamment faibles pour justifier la construction d'un détecteur plus grand. Tout comme les télescopes plus grands collectent plus de lumière et permettent de visualiser des objets plus faibles, l'augmentation de la masse de germanium permet une plus grande probabilité d'observer la désintégration rare. Avec 30 fois plus de germanium que l'expérience actuelle, l'expérience prévue d'une tonne serait capable de détecter la désintégration double bêta sans neutrinos d'un seul noyau de germanium par an.

Il est prévu que le DÉMONSTRATEUR MAJORANA continuera à prendre des données pendant deux ou trois ans. Pendant ce temps, un rapprochement avec le GERDA est en cours pour développer un éventuel détecteur d'une tonne baptisé LEGEND, prévu pour être construit par étapes sur un site encore à déterminer.

LÉGENDE 200, le démonstrateur LEGEND et avancer vers une éventuelle future expérience à la tonne, sera une combinaison de GERDA, MAJORANA et de nouveaux détecteurs. Les scientifiques espèrent démarrer la première étape de LEGEND 200 d'ici 2021. Une expérience à l'échelle de la tonne, LÉGENDE 1000, serait la prochaine étape, si approuvé. « Cette fusion valorise les investissements publics dans le DÉMONSTRATEUR MAJORANA et GERDA en combinant les meilleures technologies de chacun, " a déclaré le co-porte-parole de LEGEND Collaboration (et porte-parole de longue date de MAJORANA jusqu'à l'année dernière) Steve Elliott du Laboratoire national de Los Alamos.

Le titre de l'article de Physical Review Letters est « Recherche de la double désintégration bêta sans neutrinos en 76Ge avec le DÉMONSTRATEUR MAJORANA ».