Cette semaine, une équipe internationale de physiciens, y compris des chercheurs du MIT, rapporte les premiers résultats d'une expérience souterraine conçue pour répondre à l'une des questions les plus fondamentales de la physique :pourquoi notre univers est-il composé principalement de matière ?

Selon la théorie, le Big Bang aurait dû produire des quantités égales de matière et d'antimatière, cette dernière étant constituée d'"antiparticules" qui sont essentiellement des images miroir de la matière, ne portant que des charges opposées à celles des protons, électrons, neutrons, et d'autres homologues particulaires. Et encore, nous vivons dans un univers résolument matériel, composé principalement de galaxies, étoiles, planètes, et tout ce que nous voyons autour de nous—et très peu d'antimatière.

Les physiciens postulent qu'un certain processus a dû faire pencher la balance en faveur de la matière au cours des premiers instants qui ont suivi le Big Bang. L'un de ces processus théoriques implique le neutrino, une particule qui, en dépit d'avoir presque pas de masse et d'interagir très peu avec d'autres matières, est pensé pour imprégner l'univers, avec des milliards de particules fantomatiques circulant sans danger à travers notre corps chaque seconde.

Il est possible que le neutrino soit sa propre antiparticule, ce qui signifie qu'il peut avoir la capacité de se transformer entre une version matière et antimatière de lui-même. Si c'est le cas, les physiciens pensent que cela pourrait expliquer le déséquilibre de l'univers, comme des neutrinos plus lourds, produit immédiatement après le Big Bang, se serait décomposé de manière asymétrique, produire plus de matière, plutôt que de l'antimatière, versions d'eux-mêmes.

Une façon de confirmer que le neutrino est sa propre antiparticule, est de détecter un processus extrêmement rare connu sous le nom de « désintégration double bêta sans neutrino, " dans lequel un isotope stable, comme le tellure ou le xénon, dégage certaines particules, y compris les électrons et les antineutrinos, car il se désintègre naturellement. Si le neutrino est bien sa propre antiparticule, alors selon les règles de la physique les antineutrinos devraient s'annuler, et ce processus de désintégration devrait être "sans neutrino". Toute mesure de ce processus ne devrait enregistrer que les électrons s'échappant de l'isotope.

L'expérience souterraine connue sous le nom de CUORE, pour l'Observatoire souterrain cryogénique des événements rares, est conçu pour détecter une désintégration double bêta sans neutrino à partir de la désintégration naturelle de 988 cristaux de dioxyde de tellure. Dans un article publié cette semaine dans Lettres d'examen physique , des chercheurs, y compris les physiciens du MIT, rapport sur les deux premiers mois de données collectées par CUORE (italien pour "coeur"). Et bien qu'ils n'aient pas encore détecté le processus révélateur, ils ont pu fixer les limites les plus strictes à ce jour sur le temps qu'un tel processus devrait prendre, s'il existe du tout. Sur la base de leurs résultats, ils estiment qu'un seul atome de tellure devrait subir une désintégration double bêta sans neutrinos, au plus, une fois tous les 10 septillions (1 suivi de 25 zéros) ans.

Compte tenu du nombre massif d'atomes dans les 988 cristaux de l'expérience, les chercheurs prévoient qu'au cours des cinq prochaines années, ils devraient être capables de détecter au moins cinq atomes subissant ce processus, s'il existe, fournissant la preuve définitive que le neutrino est sa propre antiparticule.

"C'est un processus très rare - s'il est observé, ce serait la chose la plus lente qui ait jamais été mesurée, " dit Lindley Winslow, membre de CUORE, le professeur adjoint de développement de carrière Jerrold R. Zacharias de physique au MIT, qui a mené l'analyse. "La grande excitation ici est que nous avons pu exécuter 998 cristaux ensemble, et maintenant nous sommes sur la bonne voie pour essayer de voir quelque chose."

La collaboration CUORE comprend quelque 150 scientifiques principalement d'Italie et des États-Unis, y compris Winslow et une petite équipe de post-doctorants et d'étudiants diplômés du MIT.

Cube le plus froid de l'univers

L'expérience CUORE est hébergée sous terre, enterré au plus profond d'une montagne en Italie centrale, afin de le protéger des stimuli externes tels que le bombardement constant de rayonnement provenant de sources dans l'univers.

Le cœur de l'expérience est un détecteur composé de 19 tours, contenant chacun 52 cristaux cubiques de dioxyde de tellure, totalisant 988 cristaux en tout, avec une masse d'environ 742 kilogrammes, ou 1, 600 livres. Les scientifiques estiment que cette quantité de cristaux contient environ 100 septillions d'atomes de l'isotope particulier du tellure. Des capteurs électroniques et de température sont attachés à chaque cristal pour surveiller les signes de leur dégradation.

L'ensemble du détecteur réside dans un réfrigérateur ultrafroid, de la taille d'un distributeur automatique, qui maintient une température constante de 6 millikelvin, ou -459,6 degrés Fahrenheit. Les chercheurs de la collaboration ont précédemment calculé que ce réfrigérateur est le mètre cube le plus froid qui existe dans l'univers.

L'expérience doit être maintenue extrêmement froide afin de détecter d'infimes changements de température générés par la désintégration d'un seul atome de tellure. Dans un processus normal de désintégration double bêta, un atome de tellure dégage deux électrons, ainsi que deux antineutrinos, ce qui équivaut à une certaine énergie sous forme de chaleur. En cas de désintégration double bêta sans neutrino, les deux antineutrinos devraient s'annuler, et seule l'énergie libérée par les deux électrons serait générée. Les physiciens ont calculé précédemment que cette énergie doit être de l'ordre de 2,5 mégaélectrons-volts (Mev).

Au cours des deux premiers mois de fonctionnement de CUORE, les scientifiques ont essentiellement pris la température des 988 cristaux de tellure, à la recherche d'un minuscule pic d'énergie autour de cette marque de 2,5 Mev.

"CUORE est comme un thermomètre gigantesque, " dit Winslow. " Chaque fois que vous voyez un dépôt de chaleur sur un cristal, vous finissez par voir une impulsion que vous pouvez numériser. Ensuite, vous passez et regardez ces impulsions, et la hauteur et la largeur de l'impulsion correspondent à la quantité d'énergie présente. Ensuite, vous zoomez et comptez le nombre d'événements à 2,5 Mev, et nous n'avons pratiquement rien vu. Ce qui est probablement bien car nous ne nous attendions pas à voir quoi que ce soit au cours des deux premiers mois de données."

Le coeur continuera

Les résultats indiquent plus ou moins que, dans la courte fenêtre dans laquelle CUORE a fonctionné jusqu'à présent, pas un des 1, 000 septillions d'atomes de tellure dans le détecteur ont subi une désintégration double bêta sans neutrinos. Statistiquement parlant, cela signifie qu'il faudrait au moins 10 septillions d'années, ou des années, pour qu'un seul atome subisse ce processus si un neutrino est en fait sa propre antiparticule.

"Pour le dioxyde de tellure, c'est la meilleure limite pour la durée de vie de ce processus que nous ayons jamais eue, " dit Winslow.

CUORE continuera à surveiller les cristaux pendant les cinq prochaines années, et les chercheurs conçoivent maintenant la prochaine génération de l'expérience, qu'ils ont surnommé CUPID - un détecteur qui recherchera le même processus dans un nombre encore plus grand d'atomes. Au-delà de Cupidon, Winslow dit qu'il n'y en a qu'un de plus, itération plus grande qui serait possible, avant que les scientifiques puissent tirer une conclusion définitive.

"Si nous ne le voyons pas d'ici 10 à 15 ans, alors, à moins que la nature ne choisisse quelque chose de vraiment bizarre, le neutrino n'est probablement pas sa propre antiparticule, " dit Winslow. " La physique des particules vous dit qu'il n'y a pas beaucoup plus de marge de manœuvre pour que le neutrino soit toujours sa propre antiparticule, et pour que vous ne l'ayez pas vu. Il n'y a pas tant d'endroits où se cacher."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.