Les neutrinos et les antinéutrinos sont des particules élémentaires avec une masse petite mais inconnue. Les mesures de masse atomique de haute précision au Laboratoire Accélérateur de l'Université de Jyväskylä, en Finlande, ont révélé que la décroissance bêta de l'isomère Silver-110 a un fort potentiel à utiliser pour la détermination de la masse électronique de l'antinétrino. Le résultat est une étape importante pour ouvrir la voie à de futures expériences antinéutrino.
La masse de neutrinos et leurs anti-substarinos est l'une des grandes questions sans réponse en physique. Les neutrinos sont des particules élémentaires dans le modèle standard de physique des particules et sont de nature très fréquente. Ils sont produits, par exemple, par des réactions nucléaires au soleil. Chaque seconde, des milliards de neutrinos solaires voyagent à travers nous.
« Leur détermination de masse serait de la plus haute importance », explique le professeur Anu Kankainen de l'Université de Jyväskylä. « Les comprendre peut nous donner une meilleure image de l'évolution de l'univers. »
Un chemin vers la compréhension des antinéutrinos électroniques
Une façon de produire des antinéutrinos électroniques et de déterminer leur masse est via la décroissance bêta nucléaire. Il s'agit d'un processus d'interaction faible qui produit un noyau fille, un électron et son antinéutrino. L'énergie libérée dans le processus est connue sous le nom de valeur de décroissance Q. Il est défini par les masses du noyau parent et des produits de désintégration.
« Étant donné que la masse antinéutrino électronique est estimée à au moins cinq ordres de grandeur plus petite que la masse électronique, il est très difficile d'observer sa contribution à la décomposition bêta », explique le chercheur doctoral Jouni Ruotsalainen de l'Université de Jyväskylä, qui étudie ce problème comme faisant partie de sa thèse doctorale.
« Pour le rendre plus responsable, les désintégres bêta qui libèrent très peu d'énergie, les désintégres dits bêta à faible valeur Q, présentent un intérêt particulier. »
Beta Decay of Silver-110 Isomer: un nouveau candidat prometteur pour les mesures de masse antinéutrino
Des chercheurs de l'Université de Jyväskylä ont découvert une décroissance bêta nucléaire potentielle qui pourrait être utilisée pour la détermination de la masse antinéutrino. L'étude est publiée dans Lettres d'examen physique.
« Les recherches précédentes se sont principalement concentrées sur les désintégres bêta de l'état fondamental, mais aussi de nombreux états excités à longue durée de vie appelés isomères se décomposer via la décomposition bêta », explique Ruotsalainen.
« Un de ces cas est l'isomère de l'isotope Silver-110. Il a une longue demi-vie d'environ 250 jours et se désintègre principalement par décomposition bêta à des états excités dans sa fille noyau cadmium-110. »
Chercheur surpris par la facilité de mesure et les résultats de masse
Sur la base des valeurs de la littérature, la valeur Q bêta-décay de l'isomère Silver-110 à un état excité à 3008,41 kev pourrait être négatif, ce qui signifie que la désintégration n'est pas possible ou légèrement positive. La principale incertitude vient des états du sol du parent et de la fille nucléde.
« Nous pourrions considérablement réduire l'incertitude de cette valeur Q en mesurant la différence de masse entre les isotopes stables Silver-109 et Cadmium-110 avec le spectromètre de masse du piège Jyfltrap Trap du laboratoire d'accélérateur », explique Ruotsalainen.
« Il était assez facile de produire les ions argent et de cadmium stables avec nos sources d'ions à décharge électrique existants et de mesurer leur différence de masse en utilisant la technique de résonance du cyclotron d'image en phase. J'ai été ravi de voir que la valeur Q résultante, 405 (135) EV, est positive et en fait la plus faible pour la transition de décroissance bêta autorisée jusqu'à présent. »
Les physiciens théoriques confirment les résultats expérimentaux
Toutes les désintégrations de l'isomère Silver-110 ne mènent pas à l'État à 3008,41 kev dans le cadmium-110. Pour estimer leur fraction, des calculs de modèle de coquille ont été effectués.
«Nos calculs montrent qu'environ trois de chaque million de désintégration de cet isomère suivent la voie fascinante et à faible énergie. Bien que cela puisse sembler minuscule, il est en fait assez important pour une transition aussi basse énergie.
« De plus, avec une demi-vie d'environ 250 jours, l'isomère reste assez longtemps pour que les chercheurs produisent un échantillon significatif et, espérons-le, attraper un bon nombre de ces rares désintégres en action », commente le chercheur Marlom Ramalho, qui a effectué le travail théorique. Ramalho a récemment défendu son doctorat. thèse à l'Université de Jyväskylä et est actuellement membre du postdoctoral de la Fondation Oskar Huttunen à l'Université de York.
Les mesures se poursuivent
Le caractère autorisé de la décroissance bêta de l'isomère Silver-110, la valeur Q très faible obtenue, et le fait que l'isomère est facilement produit dans les réacteurs nucléaires via des neutrons thermiques, fait de Silver-110 un candidat très attrayant pour les futures expériences antinéutrino.
« C'est certainement un cas à étudier plus en détail », explique Kankainen. « Notre collaboration fructueuse avec les théoriciens locaux a également indiqué quelques nouvelles désintégrations bêta isomères qui pourraient être étudiées ensuite pour la physique des neutrinos. Il est agréable de voir que les mesures d'isotopes stables ou presque stables peuvent toujours être très impactables. »
