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Les neutrinos et l'énigme de l'antimatière : les contraintes de Gerda

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Si les neutrinos sont des fermions de Majorana, alors ils sont leurs propres antiparticules. On cherche à le démonter via la découverte d'un mode de désintégration radioactive particulier, appelé double désintégration bêta sans neutrino, grâce au détecteur Gerda (GERmanium Detector Array). En plus de permettre de mieux comprendre la formation des galaxies, les informations tirées de la détection de ce mode de désintégration aideraient peut-être à résoudre l'énigme de l'antimatière cosmologique.

Une vue de l’intérieur du GERmanium Detector Array (Gerda), le détecteur utilisé pour tenter de découvrir des signatures de l’existence de la double désintégration bêta sans neutrino. On voit ici la partie destinée à être remplie d’eau pure, alors que le cylindre central contiendra le détecteur proprement dit avec des isotopes de germanium radioactif, le tout plongé dans de l’argon liquide. © Kai Freund, Gerda Collaboration

Nous savons que les trois types de neutrinos légers connus peuvent se convertir les uns dans les autres parce qu'ils ont une masse. C'est le fameux phénomène d'oscillation des neutrinos proposé voilà plusieurs décennies par le physicien d'origine italienne Bruno Pontecorvo, avant que Ray Davies ne découvre le problème du déficit des neutrinos solaires. C'est parce que les neutrinos électroniques se convertissaient en d'autres neutrinos avant d'arriver dans des détecteurs sur Terre que l'on mesurait un flux de neutrinos apparemment plus faible que celui prédit par la théorie des réactions thermonucléaires dans le cœur du Soleil. La première preuve indirecte de ces oscillations des neutrinos est venue grâce aux observations du détecteur Super-Kamiokande, en 1998.

D'autres expériences ont suivi, notamment Opera, qui ont confirmé ce phénomène d'oscillation. Elles indiquent bien que les neutrinos ont une masse, mais elle ne permet pas de la mesurer directement, de sorte que l'on ne sait pas vraiment quelle est sa valeur. Les neutrinos influent sur la formation des galaxies, et laissent des traces dans le rayonnement fossile en fonction de leur masse. On peut obtenir de cette façon de nouvelles contraintes qui nous disent que les neutrinos sont très légers.

Schéma 1. La double désintégration bêta (parent nucleus vers daughter nucleus) avec neutrinos est lente, mais a déjà été observée. On se doutait de son existence dès les années 1930. © National Science Foundation

Des neutrinos de Majorana comme fenêtre sur une nouvelle physique

La masse des neutrinos fait partie des paramètres du modèle standard que l'on voudrait pouvoir expliquer. Les chercheurs savent qu'il faut faire intervenir pour cela de la nouvelle physique. Les théories au-delà du modèle standard auxquelles on s'intéresse le plus supposent que les neutrinos sont des fermions de Majorana, ce qui veut dire que, comme les photons, ils devraient être leurs propres antiparticules. Mais est-ce le cas ?

Particulièrement intéressante pour tenter de réponde à cette question est l'étude de la double désintégration bêta. On sait qu'elle se produit au moins sous une forme. Au cours de ce phénomène très rare, deux désintégrations bêta moins (β-) se produisent simultanément, avec la transformation de deux neutrons (n) en protons (p) et l'émission de deux électrons (e-) et deux antineutrinos (voir les schémas 1 et 2).

Schéma 2. La double désintégration bêta sans neutrino est théoriquement possible, mais n'a encore jamais été observée. On la traque dans au moins deux laboratoires sur la planète actuellement. © National Science Foundation

Détermination de la masse des neutrinos

Si les neutrinos sont leurs propres antiparticules, un mode de désintégration double bêta sans neutrino est théoriquement possible, et c'est celui qui intéresse le plus les physiciens cherchant à en savoir plus sur les neutrinos. En plus de donner une confirmation de la nature de fermions de Majorana des neutrinos, l'observation de ce phénomène peut en effet aider à la détermination de la valeur absolue de la masse des neutrinos.

L'enjeu de la détection de doubles désintégrations bêta sans neutrino se situe en réalité à plusieurs niveaux. En effet, si les neutrinos sont leurs propres antiparticules, ils peuvent s'annihiler en violant la conservation du nombre leptonique. Cela pourrait ouvrir une fenêtre sur les processus à l'origine de l'asymétrie entre matière et antimatière dans l'univers, une énigme en cosmologie que l'on ne comprend toujours pas. Les neutrinos de Majorana sont notamment utilisés dans le cadre de théories dans lesquelles existe un quatrième type de neutrino, avec une masse très importante. Comme l'explique cette vidéo, ces neutrinos pourraient être instables et se désintégrer en plus de particules de matière que d'antimatière.

Il y aurait donc plusieurs informations possibles que l'on pourrait déduire du fait que les neutrinos connus soient des fermions de Majorana. Elles donneraient des indices en faveur de théories supersymétriques ou de grande unification (Gut). Ce qui est sûr, c'est que la simple détermination de la demi-vie d'un noyau se désintégrant par un processus de double désintégration bêta sans neutrino permettrait de mesurer directement la masse d'un des types connus de neutrinos, et cela aiderait à mieux comprendre la formation des galaxies.

Gerda, du germanium plongé dans de l'argon liquide sous le Gran Sasso

De novembre 2011 à mai 2013, une collaboration internationale comprenant 19 instituts de recherche et universités en Europe a utilisé le GERmanium Detector Array (Gerda), situé à 1.400 m sous le Gran Sasso, en Italie, pour traquer des doubles désintégrations bêta sans neutrino. Les couches de roches constituent déjà un premier bouclier contre les rayons cosmiques qui pourraient induire une pseudo-signature d'une double désintégration sans neutrino dans le détecteur Gerda. Le détecteur lui-même est constitué de germanium, avec des noyaux de l'isotope 76Ge, qui peut se désintégrer d'une façon bien définie selon le mode double bêta sans neutrino. Il est plongé dans de l'argon liquide à basse température dans un réservoir de 4 m de diamètre, lui-même plongé dans un réservoir d'eau purifiée de 10 m de diamètre. L'ensemble fait encore diminuer le bruit de fond, dû par exemple à la désintégration de noyaux dans la paroi du réservoir d'argon. En cas de double désintégration bêta sans neutrino, deux électrons avec des énergies et des impulsions précises seraient émis. Le détecteur, en mesurant une énergie déposée dans des diodes elles aussi en germanium, aurait pu détecter ce signal bien particulier.

Malheureusement, pour le moment, aucune trace de désintégration double bêta sans neutrino n'a encore été détectée, comme l'expliquent les physiciens dans l'article qu'ils viennent de mettre sur arxiv. Ainsi, soit les neutrinos ne sont pas des fermions de Majorana, soit le mode double bêta sans neutrino est plus rare qu'on ne le pensait jusqu'à présent. Une nouvelle phase de prise de mesures est prévue avec un Gerda dont la sensibilité sera améliorée. En tout état de cause, la demi-vie du noyau de 76Ge par ce mode de désintégration doit être supérieure à 1025 ans.

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