Dans un laboratoire sous une montagne, des physiciens utilisent des cristaux bien plus froids que l'air gelé pour étudier des particules fantomatiques, dans l'espoir d'apprendre des secrets depuis le début de l'univers. Des chercheurs de l'Observatoire souterrain cryogénique pour les événements rares (CUORE) ont annoncé cette semaine qu'ils avaient placé certaines des limites les plus strictes à ce jour sur l'étrange possibilité que le neutrino soit sa propre antiparticule. Les neutrinos sont des particules profondément inhabituelles, si éthérées et si omniprésentes qu'elles traversent régulièrement notre corps sans que nous nous en apercevions. CUORE a passé les trois dernières années à attendre patiemment de voir la preuve d'un processus de désintégration nucléaire distinct, uniquement possible si les neutrinos et les antineutrinos sont la même particule. Les nouvelles données de CUORE montrent que cette désintégration ne se produit pas avant des milliards de milliards d'années, voire pas du tout. Les limites de CUORE sur le comportement de ces minuscules fantômes sont un élément crucial de la recherche de la prochaine percée en physique des particules et nucléaire et de la recherche de nos propres origines.

"En fin de compte, nous essayons de comprendre la création de la matière", a déclaré Carlo Bucci, chercheur aux Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) en Italie et porte-parole de CUORE. "Nous recherchons un processus qui viole une symétrie fondamentale de la nature", a ajouté Roger Huang, chercheur postdoctoral au Laboratoire national Lawrence Berkeley du Département de l'énergie (Berkeley Lab) et l'un des principaux auteurs de la nouvelle étude.

CUORE, qui signifie "cœur" en italien, est l'une des expériences sur les neutrinos les plus sensibles au monde. Les nouveaux résultats de CUORE sont basés sur un ensemble de données dix fois plus grand que toute autre recherche à haute résolution, collectée au cours des trois dernières années. CUORE est exploité par une collaboration de recherche internationale, dirigée par l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italie et Berkeley Lab aux États-Unis. Le détecteur CUORE lui-même est situé sous près d'un mile de roche solide au LNGS, une installation de l'INFN. Les physiciens nucléaires soutenus par le Département américain de l'énergie jouent un rôle scientifique et technique de premier plan dans cette expérience. Les nouveaux résultats de CUORE ont été publiés aujourd'hui dans Nature .

Particules particulières

Les neutrinos sont partout - il y a des milliards de neutrinos qui passent par votre seule vignette pendant que vous lisez cette phrase. Ils sont invisibles pour les deux forces les plus puissantes de l'univers, l'électromagnétisme et la force nucléaire forte, ce qui leur permet de passer à travers vous, la Terre et presque tout le reste sans interagir. Malgré leur grand nombre, leur nature énigmatique les rend très difficiles à étudier et a laissé les physiciens se gratter la tête depuis qu'ils ont été postulés pour la première fois il y a plus de 90 ans. Jusqu'à la fin des années 1990, on ne savait même pas si les neutrinos avaient une masse. Il s'avère que c'est le cas, mais pas beaucoup.

L'une des nombreuses questions encore ouvertes sur les neutrinos est de savoir s'ils sont leurs propres antiparticules. Toutes les particules ont des antiparticules, leur propre antimatière :les électrons ont des antiélectrons (positrons), les quarks ont des antiquarks, et les neutrons et les protons (qui constituent le noyau des atomes) ont des antineutrons et des antiprotons. Mais contrairement à toutes ces particules, il est théoriquement possible que les neutrinos soient leurs propres antiparticules. De telles particules qui sont leurs propres antiparticules ont été postulées pour la première fois par le physicien italien Ettore Majorana en 1937, et sont connues sous le nom de fermions de Majorana.

Si les neutrinos sont des fermions de Majorana, cela pourrait expliquer une question profonde à la racine de notre propre existence :pourquoi il y a tellement plus de matière que d'antimatière dans l'univers. Les neutrinos et les électrons sont tous deux des leptons, une sorte de particule fondamentale. L'une des lois fondamentales de la nature semble être que le nombre de leptons est toujours conservé - si un processus crée un lepton, il doit également créer un anti-lepton pour l'équilibrer. De même, des particules comme les protons et les neutrons sont appelées baryons, et le nombre de baryons semble également être conservé. Pourtant, si les nombres de baryons et de leptons étaient toujours conservés, alors il y aurait exactement autant de matière dans l'univers que d'antimatière - et dans l'univers primitif, la matière et l'antimatière se seraient rencontrées et annihilées, et nous n'existerions pas. Quelque chose doit violer la conservation exacte des baryons et des leptons. Entrez le neutrino :si les neutrinos sont leurs propres antiparticules, alors le nombre de leptons n'aurait pas à être conservé, et notre existence devient beaucoup moins mystérieuse.

"L'asymétrie matière-antimatière dans l'univers est encore inexpliquée", a déclaré Huang. "Si les neutrinos sont leurs propres antiparticules, cela pourrait aider à l'expliquer."

Ce n'est pas non plus la seule question à laquelle pourrait répondre un neutrino de Majorana. L'extrême légèreté des neutrinos, environ un million de fois plus légers que l'électron, a longtemps déconcerté les physiciens des particules. Mais si les neutrinos sont leurs propres antiparticules, alors une solution existante connue sous le nom de "mécanisme de bascule" pourrait expliquer la légèreté des neutrinos de manière élégante et naturelle.

Un appareil rare pour des désintégrations rares

Mais déterminer si les neutrinos sont leurs propres antiparticules est difficile, précisément parce qu'ils n'interagissent pas du tout très souvent. Le meilleur outil des physiciens pour rechercher les neutrinos de Majorana est un type hypothétique de désintégration radioactive appelée double désintégration bêta sans neutrinos. La désintégration bêta est une forme assez courante de désintégration dans certains atomes, transformant un neutron dans le noyau de l'atome en un proton, modifiant l'élément chimique de l'atome et émettant un électron et un antineutrino dans le processus. La double désintégration bêta est plus rare :au lieu qu'un neutron se transforme en proton, deux d'entre eux le font, émettant deux électrons et deux antineutrinos dans le processus. Mais si le neutrino est un fermion de Majorana, alors théoriquement, cela permettrait à un seul neutrino "virtuel", agissant comme sa propre antiparticule, de prendre la place des deux antineutrinos dans la double désintégration bêta. Seuls les deux électrons sortiraient du noyau atomique. La désintégration double bêta sans neutrinos est théorisée depuis des décennies, mais elle n'a jamais été vue.

L'expérience CUORE s'est donné beaucoup de mal pour capturer les atomes de tellure en train de se désintégrer. L'expérience utilise près d'un millier de cristaux très purs d'oxyde de tellure, pesant collectivement plus de 700 kg. Cette quantité de tellure est nécessaire car, en moyenne, il faut des milliards de fois plus de temps que l'âge actuel de l'univers pour qu'un seul atome instable de tellure subisse une double désintégration bêta ordinaire. Mais il y a des milliards de milliards d'atomes de tellure dans chacun des cristaux utilisés par CUORE, ce qui signifie que la double désintégration bêta ordinaire se produit assez régulièrement dans le détecteur, environ quelques fois par jour dans chaque cristal. La double désintégration bêta sans neutrinos, si elle se produit, est encore plus rare, et l'équipe CUORE doit donc travailler dur pour éliminer autant de sources de rayonnement de fond que possible. Pour protéger le détecteur des rayons cosmiques, l'ensemble du système est situé sous la montagne du Gran Sasso, la plus grande montagne de la péninsule italienne. Un blindage supplémentaire est assuré par plusieurs tonnes de plomb. Mais le plomb fraîchement extrait est légèrement radioactif en raison de la contamination par l'uranium et d'autres éléments, cette radioactivité diminuant avec le temps. Ainsi, le plomb utilisé pour entourer la partie la plus sensible de CUORE est principalement du plomb récupéré d'un ancien navire romain coulé, vieux de près de 2000 ans. .

La machine la plus impressionnante utilisée à CUORE est peut-être le cryostat, qui maintient le détecteur froid. Pour détecter la double désintégration bêta sans neutrinos, la température de chaque cristal dans le détecteur CUORE est soigneusement surveillée avec des capteurs capables de détecter un changement de température aussi petit qu'un dix-millième de degré Celsius. La double désintégration bêta sans neutrinos a une signature énergétique spécifique et élèverait la température d'un monocristal d'une quantité bien définie et reconnaissable. Mais pour maintenir cette sensibilité, le détecteur doit être maintenu très froid, plus précisément autour de 10 mK, un centième de degré au-dessus du zéro absolu. "C'est le mètre cube le plus froid de l'univers connu", a déclaré Laura Marini, chercheuse au Gran Sasso Science Institute et coordinatrice de la course de CUORE. La sensibilité résultante du détecteur est vraiment phénoménale. "Lorsqu'il y a eu de grands tremblements de terre au Chili et en Nouvelle-Zélande, nous en avons en fait vu des aperçus dans notre détecteur", a déclaré Marini. "Nous pouvons également voir des vagues se briser sur le rivage de la mer Adriatique, à 60 kilomètres. Ce signal s'intensifie en hiver, lorsqu'il y a des tempêtes."

Un neutrino dans le cœur

Malgré cette sensibilité phénoménale, CUORE n'a pas encore vu de preuves d'une double désintégration bêta sans neutrinos. Au lieu de cela, CUORE a établi qu'en moyenne, cette désintégration se produit dans un seul atome de tellure pas plus d'une fois tous les 22 000 milliards de milliards d'années. "La double désintégration bêta sans neutrinos, si elle est observée, sera le processus le plus rare jamais observé dans la nature, avec une demi-vie plus d'un million de milliards de fois plus longue que l'âge de l'univers", a déclaré Danielle Speller, professeure adjointe à l'Université Johns Hopkins et membre du conseil de physique de CUORE. "CUORE may not be sensitive enough to detect this decay even if it does occur, but it's important to check. Sometimes physics yields surprising results, and that's when we learn the most." Even if CUORE doesn't find evidence of neutrinoless double-beta decay, it is paving the way for the next generation of experiments. CUORE's successor, the CUORE Upgrade with Particle Identification (CUPID) is already in the works. CUPID will be over 10 times more sensitive than CUORE, potentially allowing it to glimpse evidence of a Majorana neutrino.

But regardless of anything else, CUORE is a scientific and technological triumph—not only for its new bounds on the rate of neutrinoless double beta decay, but also for its demonstration of its cryostat technology. "It's the largest refrigerator of its kind in the world," said Paolo Gorla, a staff scientist at LNGS and CUORE's Technical Coordinator. "And it's been kept at 10 mK continuously for about three years now." Such technology has applications well beyond fundamental particle physics. Specifically, it may find use in quantum computing, where keeping large amounts of machinery cold enough and shielded from environmental radiation to manipulate on a quantum level is one of the major engineering challenges in the field.

Meanwhile, CUORE isn't done yet. "We'll be operating until 2024," said Bucci. "I'm excited to see what we find." + Explorer plus loin

CUORE experiment constrains neutrino properties