Des chercheurs du laboratoire Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) de la Michigan State University (MSU) ont franchi une étape majeure vers une description théorique des premiers principes de la désintégration double bêta sans neutrinos. L'observation de ce processus nucléaire rare encore non confirmé aurait des implications importantes pour la physique des particules et la cosmologie. Les simulations théoriques sont essentielles à la planification et à l'évaluation des expériences proposées. L'équipe de recherche a présenté ses résultats dans un article récemment publié dans Lettres d'examen physique .

les théoriciens du FRIB Jiangming Yao, chercheur associé et auteur principal de l'étude, Roland Wirth, associé de recherche, et Heiko Hergert, maître assistant, sont membres d'une collaboration thématique sur les symétries fondamentales et la désintégration double bêta sans neutrinos. Le département américain de l'Énergie Office of Science Office of Nuclear Physics finance la collaboration topique. Les théoriciens ont uni leurs forces avec d'autres membres de la collaboration thématique de l'Université de Caroline du Nord-Chapel Hill et des collaborateurs externes de l'Universidad Autonoma de Madrid, Espagne. Leurs travaux marquent une étape importante vers un calcul théorique des taux de désintégration double bêta sans neutrinos avec des incertitudes entièrement contrôlées et quantifiées.

Les auteurs ont développé la méthode des coordonnées du générateur en milieu (IM-GCM). Il s'agit d'une nouvelle approche de modélisation des interactions entre nucléons capable de décrire la structure complexe des noyaux candidats à cette désintégration. La première application d'IM-GCM au calcul du taux de désintégration double bêta sans neutrino pour le noyau de calcium-48 ouvre la voie à l'exploration des autres candidats avec une incertitude théorique contrôlable.

Dans la désintégration double bêta sans neutrino, deux protons se transforment simultanément en neutrons sans émettre les deux neutrinos qui apparaissent dans les processus d'interaction faible plus typiques. S'il existe, il s'agit d'une désintégration extrêmement rare qui devrait avoir une demi-vie supérieure à 10 septillions d'années (un 1 avec 25 zéros), ce qui signifie que la moitié d'un échantillon de noyaux aurait subi une double désintégration bêta sans neutrinos au cours de cette période extrêmement longue.

Son observation démontrerait que les neutrinos sont leurs propres antiparticules. Chaque particule subatomique a une antiparticule correspondante, qui a la même masse mais une charge égale et opposée. Particules et antiparticules peuvent s'annihiler, ne laissant que de l'énergie. D'où, aucun neutrinos ne serait observé dans la désintégration double bêta sans neutrinos. Une observation de double désintégration bêta sans neutrinos montrerait qu'une loi fondamentale - la conservation du nombre de leptons - est violée dans la nature. Cela pourrait aider à expliquer pourquoi l'univers contient plus de matière que d'antimatière, qui se compose des antiparticules susmentionnées. L'observation orienterait également les efforts pour compléter le modèle standard de la physique des particules.

"L'absence de neutrinos dans cette désintégration encore non confirmée permet de déterminer les masses des neutrinos, " a déclaré Hergert. " Ces masses sont un paramètre important dans les modèles de l'évolution de l'univers. Le taux de décroissance théorique est un ingrédient clé dans l'extraction des masses de neutrinos de la durée de vie mesurée, ou au moins fournit de nouvelles limites supérieures sur ces quantités.

Des calculs théoriques comme ceux présentés par les auteurs aideront également à déterminer la taille des détecteurs nécessaires pour les expériences de désintégration double bêta sans neutrinos à grande échelle.

Développer et mettre en œuvre des tests de symétries fondamentales est un élément important de la mission de la FRIB. Les expériences FRIB explorent la structure des candidats à la double désintégration bêta sans neutrinos et de leurs isotopes voisins, ce qui affecte la vitesse à laquelle la décroissance peut se produire. Les méthodes théoriques développées pour cette étude peuvent désormais être appliquées à d'autres noyaux à structures complexes qui sont étudiés au FRIB.