Au fond d'une montagne en Italie, des chercheurs continuent de repousser les limites de la science avec une expérience qui pourrait réécrire le modèle standard de la physique des particules.
Leur expérience, connue sous le nom de Cryogenic Underground Observatory for Rare Events (CUORE), qui comprend des chercheurs de Yale, a maintenant collecté deux tonnes-années de données (l'équivalent de la collecte de données pendant deux ans si les cristaux en forme de cube du détecteur CUORE pesaient une tonne) dans le cadre d'un effort de plusieurs années pour documenter une théorie de la désintégration des particules nucléaires rares appelée double désintégration bêta sans neutrinos.
La double désintégration bêta standard est déjà un processus de particules éprouvé. Lorsque cela se produit, deux neutrons, qui sont des particules non chargées dans le noyau d'un atome, se transforment en deux protons et émettent deux électrons et deux antineutrinos. Les antineutrinos sont le pendant antimatière des neutrinos.
La désintégration double bêta sans neutrinos est un processus théorisé dans lequel aucun antineutrino n'est créé. Selon la théorie, cela prouverait que les neutrinos et les antineutrinos sont identiques : qu’un neutrino est sa propre antiparticule.
Dans une nouvelle étude parue dans la revue Scienceles chercheurs de CUORE ont utilisé leur dernier ensemble de données pour imposer de nouvelles limites à la fréquence à laquelle la double désintégration bêta sans neutrinos se produit dans un atome de tellure. Ils disent que cela ne se produit pas plus d’une fois tous les 50 septillions d’années, ou une fois tous les billions de milliards d’années.
Le travail des chercheurs a été facilité par un algorithme spécialement conçu qui filtrait les « bruits » parasites, c'est-à-dire les vibrations, y compris les sons étouffés des chercheurs parlant à proximité, les vagues océaniques frappant la côte italienne et les tremblements de terre envoyant des ondes de choc sismiques partout dans le monde. Pensez aux écouteurs antibruit, mais à une échelle beaucoup plus grande.
« L'objectif de cette publication de données est de comprendre les sources de vibrations externes et d'apprendre à les soustraire de nos données pour mieux rechercher cette désintégration extrêmement rare », a déclaré Reina Maruyama, professeur de physique et d'astronomie à la Faculté des arts et des sciences de Yale (FAS) et membre du CUORE.
Le site CUORE est situé dans le Laboratoire National du Gran Sasso, au centre de l'Italie. Le laboratoire se trouve sous près d'un mile de roche et est entouré d'un blindage à faible rayonnement fabriqué à partir de lingots de plomb récupérés d'une épave romaine vieille de 2 000 ans.
Même avec son réglage et son blindage antibruit, une certaine quantité de bruit vibratoire passe à travers, ce qui incite les nouvelles mesures de suppression du bruit de CUORE.
Dans le cadre de leurs recherches en cours, l'équipe de recherche a installé plus de deux douzaines de capteurs mesurant la température, le son, les vibrations et les interférences électriques à proximité du détecteur. Les scientifiques ont comparé les informations des capteurs avec les données enregistrées, apprenant quelle activité du détecteur était du « bruit » et devait être ignorée. Le nouvel algorithme a été appliqué aux données précédemment collectées et aux nouvelles données de CUORE.
L'expérience, dirigée par le laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère américain de l'Énergie et impliquant plus de 20 instituts de recherche, dont Yale, a commencé ses opérations en 2017, après de nombreuses années de planification et de développement.
CUORE poursuivra sa collecte de données jusqu'à la fin de cette année. Son successeur, le CUORE Upgrade with Particle Identification (CUPID), prendra ensuite en charge la recherche de la double désintégration bêta sans neutrinos au même endroit.
L'équipe CUPID ajoutera des capteurs de lumière améliorés aux détecteurs thermiques de l'expérience pour améliorer l'identification des événements et la discrimination de l'arrière-plan. Il utilisera également des cristaux de molybdène enrichis à la place du tellure.
« La détection de la double désintégration bêta sans neutrinos révélerait que les neutrinos sont leurs propres antiparticules, connues sous le nom de particules Majorana », a déclaré Karsten Heeger, professeur de physique Eugene Higgins à Yale FAS, directeur du laboratoire Wright de Yale et récent porte-parole international de l'expérience CUPID.
« Cette nature unique des neutrinos peut expliquer l'asymétrie matière-antimatière dans l'univers, le fait qu'il y ait plus de matière que d'antimatière », a ajouté Heeger. « Cela violerait également un principe fondamental du modèle standard de physique des particules appelé nombre de leptons et fournirait une preuve sans ambiguïté d'une nouvelle physique. »
Les chercheurs de Yale mènent plusieurs efforts dans CUORE et CUPID, notamment le développement d'analyses à basse énergie et la réduction des bruits de fond induits par les muons. Outre Maruyama et Heeger, les chercheurs de Yale impliqués dans les expériences sont la chercheuse Penny Slocum, le chercheur postdoctoral Tyler Johnson et l'ingénieur James Wilhelmi, tous du Département de physique ; les étudiants diplômés Ridge Liu, Maya Moore et Zach Muraskin, tous de la Yale Graduate School of Arts and Sciences ; et ancienne étudiante diplômée Samantha Pagan.
