Les grands détecteurs à faible bruit de fond utilisant le xénon comme milieu cible sont largement utilisés en physique fondamentale, en particulier dans les expériences de recherche de matière noire ou d'étude des désintégrations rares des noyaux atomiques. Dans ces détecteurs, la faible interaction d'une particule neutre, telle qu'un neutrino, avec un noyau de xénon 136 peut la transformer en noyau de césium 136 dans un état excité de haute énergie.

Les rayons gamma émis lorsque le césium 136 se détend de cet état excité pourraient permettre aux scientifiques de séparer les signaux rares de la radioactivité de fond. Cela peut permettre de nouvelles mesures des neutrinos solaires et des recherches plus puissantes sur certains modèles de matière noire. Cependant, la recherche de ces événements a été difficile en raison du manque de données nucléaires fiables sur le césium 136. Les chercheurs doivent connaître les propriétés des états excités du césium 136, qui n'ont jamais été mesurées pour cet isotope.

Cette recherche, parue dans Physical Review Letters , permet de déterminer directement les données pertinentes en mesurant l'émission de rayons gamma du césium 136 produit lors de réactions nucléaires dans un accélérateur de particules. Il est important de noter que cette recherche révèle l'existence de ce que l'on appelle les « états isomères » :des états excités qui existent pendant environ 100 ns avant de se détendre jusqu'à l'état fondamental.

Dans les expériences modernes de physique des particules, l’émission retardée de rayons gamma provenant de ces états apparaîtra comme un signal séparé et distinct de la réaction initiale. Cela crée une signature claire dans les données qui permet aux chercheurs de rejeter le bruit de fond et d'identifier sans ambiguïté ces types d'interactions rares.

Une équipe de chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory, du SLAC National Accelerator Laboratory, de l'Université de Caroline du Nord à Wilmington et de l'Université Duke a effectué de nouvelles mesures des états excités du césium 136 à l'aide de l'accélérateur tandem du laboratoire nucléaire des universités Triangle ( TUNL).

Les chercheurs ont créé le césium 136 excité en bombardant une cible de gaz xénon 136 avec un faisceau pulsé de protons. Ils ont détecté l'émission de rayons gamma résultante à l'aide de quatre détecteurs au germanium de haute pureté entourant la cible.

L'expérience a mesuré à la fois l'énergie des rayons gamma et leurs temps de détection par rapport à l'impulsion du faisceau, permettant à l'équipe de reconstruire la structure des niveaux du noyau de césium 136 et de mesurer la durée de vie des états excités impliqués dans l'émission des rayons gamma. . Deux des états excités sont identifiés comme des isomères nucléaires avec des durées de vie de 95 et 157 nanosecondes.

Ces données permettent aux chercheurs de modéliser pour la première fois de manière fiable l'émission de rayons gamma induite par les interactions nucléaires dites à « courant chargé » dans de grands détecteurs au xénon. Cela ouvre une nouvelle voie pour détecter les neutrinos astrophysiques et d'éventuels candidats à la matière noire.

Plusieurs expériences majeures en cours (notamment LZ, XENONnT et KAMLAND-Zen) peuvent immédiatement commencer à rechercher ces événements dans leurs données. Les expériences de nouvelle génération telles que nEXO ou XLZD, qui contiendront davantage de xénon-136, pourraient être particulièrement sensibles aux composants de faible énergie du spectre des neutrinos solaires, tels que les neutrinos du cycle carbone-azote-oxygène (CNO).

Plus d'informations : S. J. Haselschwardt et al, Observation des états isomères de basse altitude dans le Cs136 :une nouvelle voie pour la détection de la matière noire et des neutrinos solaires dans les détecteurs au xénon, Physical Review Letters (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.131.052502

Informations sur le journal : Lettres d'examen physique

Fourni par le Département américain de l'énergie