Premiers résultats de la recherche souterraine des propriétés des neutrinos

15 juin 2012 - Les scientifiques qui étudient les neutrinos ont trouvé avec le degré de sensibilité le plus élevé à ce jour que ces particules mystérieuses se comportent comme les autres particules élémentaires au niveau quantique. Les résultats ont mis en lumière la masse et d’autres propriétés du neutrino et témoignent de l’efficacité d’un nouvel instrument qui mènera à encore plus de découvertes dans ce domaine.

Le Enriched Xenon Observatory 200 (EXO-200), une collaboration internationale menée par l’Université Stanford et le SLAC National Accelerator Laboratory du département de l’Énergie des États-Unis, à commencer à rechercher un mécanisme mystérieux appelé « double désintégration bêta sans émission de neutrinos (neutrinoless double-beta decay), l’une des plus sensibles jamais entreprises, dans lequel deux neutrinos, agissant comme particule et antiparticule, ne sortent pas du noyau.

Si cette désintégration était observée, elle signifierait que les neutrinos ont une structure quantique différente que les autres particules élémentaires. EXO-200, qui est capable de détecter les désintégrations qui se produisent, en moyenne, seulement une fois tous les 10^25 ans (un quadrillion de fois l’âge de l’univers), n’a pas observé cette désintégration, ce qui constitue la preuve la plus solide encore que les neutrinos se comportent comme des d’autres particules.

« Le résultat aurait été beaucoup plus intéressant si nous avions eu un coup de chance et détecté une double désintégration bêta sans émission de neutrinos, a déclaré M. Giorgio Gratta, professeur de physique à l’Université Stanford et porte-parole d’EXO-200. Dans la région où la double désintégration bêta devrait se produire, le détecteur n’a enregistré qu’un seul événement. Cela veut dire que l’activité de fond est très faible et que le détecteur est très sensible. Ce sont là de très bonnes nouvelles que de pouvoir dire que nous ne voyons rien. »

EXO-200 a pu ainsi écarter formellement un résultat précédent, très controversé, selon lequel la double désintégration avait été détectée, et restreindre également la masse du neutrino à moins de 140 à 380 millièmes d’électronvolt (l’unité de masse utilisée en physique des particules). À titre de comparaison, un minuscule électron possède une masse d’environ 500 000 électronvolts.

Au cœur d’EXO-200 se trouve un cylindre à paroi mince en cuivre ultrapur. Il est plein de xénon liquide, environ 200 kg (440 livres) et enterré à une profondeur de 2150 pieds à l’usine WIPP (Waste Isolation Pilot Plant) du DOE, au Nouveau-Mexique, une mine de sel où les déchets radioactifs de faible activité sont stockés. Le xénon, en particulier, l’isotope du xénon 136, la part du lion du xénon dans EXO-200, est l’une des rares substances qui peuvent théoriquement subir la désintégration. Cette expérience souterraine menée à l’aide de matériaux extrêmement purs permet de s’assurer que toutes les autres traces de radioactivité et de rayonnement cosmique sont éliminées ou réduites au minimum.