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Cupid tentera de la résoudre en découvrant les neutrinos de Majorana

Juil 7, 2020 | economie | 0 commentaires



Cupid tentera de la résoudre en découvrant les neutrinos de Majorana

Les neutrinos posent de nombreuses questions dont la résolution nécessiterait une nouvelle physique. En retour, cette dernière permettrait de résoudre plusieurs énigmes en cosmologie dont celle concernant l’antimatière manquante. Pour cela, il faudrait d’abord démontrer que les neutrinos sont des fermions de Majorana, ce qui est possible avec l’expérience Cupid en préparation.

Les pionniers de la théorie du Big Bang, tels Georges Lemaître et le prix Nobel de physique James Peebles, ont permis de mieux comprendre l’origine de l’Univers observable mais ils ont également révélé de nouvelles énigmes. L’une d’elles concerne l’antimatière dans le cosmos. La physique que nous connaissons implique qu’autant de particules de matière que d’antimatière auraient dû être créées pendant la fournaise primordiale dont nous observons aujourd’hui le rayonnement considérablement refroidi sous la forme du rayonnement fossile.

Où sont donc passés les anti-atomes et les anti-galaxies formés d’antimatière ? Pour le savoir, il faudrait une nouvelle physique que les physiciens des hautes énergies traquent notamment en accélérateur au LHC mais aussi dans d’autres expériences moins spectaculaires. Parmi les fenêtres possibles pouvant révéler la solution à l’énigme de l’antimatière cosmologique, il y a celle qui consiste à étudier la physique des neutrinos, en particulier ce qui concerne l’origine de leurs masses et les différences existantes, ou pas, entre neutrinos et antineutrinos.

Olivier Drapier, chercheur au laboratoire Leprince-Ringuet de l’École polytechnique, CNRS, nous parle des neutrinos, ces particules de matière que l’on peut utiliser pour étudier les étoiles et l’Univers. © École polytechnique

Des neutrinos de Dirac ou de Majorana ?

On ne comprend pas vraiment l’origine de ces masses (pas plus que les quarks, le champ du boson de Brout-Englert-Higgs ne fixe complètement les masses car il reste à déterminer l’origine des fameux couplages de Yukawa) et pourquoi les neutrinos sont aussi légers par rapport à d’autres particules de matière comme les quarks et les électrons. Ainsi, nous nous étonnons de constater que la masse des neutrinos ne peut pas être plus grande que 250.000 fois celle des électrons d’après les tentatives faites pour estimer ces masses.

Il existe tout de même des pistes qui, remarquablement, recoupent aussi celles explorées pour comprendre l’asymétrie entre matière et antimatière dans l’Univers. Il serait fascinant, à cet égard, de démontrer que les neutrinos sont ce qu’on appelle des fermions de Majorana, ce qui, de façon simplifiée, implique qu’ils seraient leur propre antiparticule. Mais comment savoir si ce sont des neutrinos de Majorana (par opposition à ceux de Dirac que postule le modèle standard de la physique des particules), du nom du célèbre et mystérieux physicien italien Etorre Majorana ?

Le documentaire Le mystère Ettore Majorana sur France 5. Avec Étienne Klein, physicien et philosophe au CEA, suivez les traces d’Ettore Majorana, physicien italien de génie du début du XXe siècle. Film de 52 minutes, réalisé par Camille Guichard et librement adapté de l’ouvrage En cherchant Majorana, le physicien absolu, d’Etienne Klein, Éditions des Équateurs-Flammarion. © CEA Recherche

De Cuore à Cupid

On peut avoir la réponse en découvrant ce que l’on appelle la désintégration double bêta sans neutrino (0νββ) et c’est précisément ce que essaient de faire des physiciens dans le cadre d’une équipe internationale à laquelle participent des chercheurs du CEA-Irfu et qui tentent d’explorer les arcanes du cosmos observable avec le détecteur de l’expérience Cupid-Mo (Cuore Upgrade with Particle Identification-Mo) au Laboratoire souterrain de Modane. Comme son nom l’indique, cette expérience permet de tester une technologie pour upgrader une précédente tentative. Il s’agissait de détecter la désintégration double bêta sans neutrino et dont Futura avait déjà parlé dans le précédent article ci-dessous : Cuore (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events).

Dans les deux cas, les détecteurs traquent une réaction de désintégration radioactive très rare et dont les produits sont d’ordinaire noyés dans le bruit de fond des rayons cosmiques et d’autres sources de perturbations dans les détecteurs. Il faut donc s’affranchir le plus possible de ces bruits de fond en protégeant les détecteurs des rayons cosmiques à l’aide d’une épaisseur de roches conséquente et en refroidissant considérablement les détecteurs.

Claudia Nones, physicienne des particules au CEA/Irfu, est spécialiste de l’étude des désintégrations de particules et développe depuis plus de 10 ans des techniques de bolomètres cryogéniques permettant de détecter des évènements de décroissances radioactives très rares. Son expertise se concentre sur une particule élémentaire bien mystérieuse : le neutrino. Seule particule de matière neutre, elle pourrait être une particule de Majorana, et serait alors sa propre antiparticule. © CEA Sciences

Un communiqué du CEA vient de faire savoir que les physiciens avaient battu un record pour l’obtention d’un faible bruit de fond dans le cadre de l’expérience Cupid-Mo qui utilise un isotope radioactif du molybdène, 100Mo, pour traquer la mythique désintégration 0νββ. On peut se faire une idée de la difficulté du but à atteindre lorsque l’on sait que la radioactivité naturelle a une intensité qui se chiffre en becquerels (Bq/g) et qu’il faut réaliser une expérience où cette intensité dans les instruments ne doit pas dépasser 10-13 Bq/g .

La physicienne Claudia Nones donne dans la vidéo ci-dessus des détails sur l’expérience Cupid-Mo (Cuore Upgrade with Particle Identification-Mo). Mais, en ce qui concerne la désintégration 0νββ, il est temps de se pencher un peu plus sur elle en rappelant des explications déjà données par Futura dans de précédents articles.

Si les neutrinos sont bien des fermions de Majorana, dans ce cas, comme les photons, ils devraient être leurs propres antiparticules. Ils pourraient alors s’annihiler en violant la conservation du nombre leptonique, une quantité normalement conservée dans les réactions avec les particules élémentaires et qui est non nulle pour les fermions que sont les leptons comme les électrons, les muons ou encore bien sûr les neutrinos.

Les neutrinos de Majorana et la désintégration double bêta sans neutrinos

Comme on l’a expliqué, ces neutrinos permettent, de ce fait, d’imaginer des processus à l’origine de l’asymétrie entre matière et antimatière dans l’univers, une énigme en cosmologie. Il existe même des modèles où, en plus des trois types de neutrinos du modèle standard, certains autres neutrinos de Majorana pourraient jouer le rôle de particules de matière noire. Il s’agit des neutrinos stériles.

Pour établir que les neutrinos sont bien des fermions de Majorana, les physiciens tentent de surprendre depuis quelques années une forme particulière de la radioactivité par double désintégration bêta. L’existence d’une première forme de cette radioactivité a été prédite théoriquement en 1935 par la physicienne Maria Goeppert-Mayer. Elle n’a été observée qu’en 1987 avec des noyaux de sélénium instables. 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 le schéma 1).

Cette radioactivité double bêta n’est peut-être pas la seule du genre. En 1939, le physicien états-unien Wendell Furry — surtout connu pour un célèbre théorème portant sur le calcul de certains diagrammes de Feynman en électrodynamique quantique — s’est rendu compte que la théorie des fermions construite par Ettore Majorana autorisait une autre forme. La désintégration des noyaux, selon lui, pourrait aussi avoir lieu sans émission d’antineutrinos, comme l’illustre le schéma 2.

Ce qu’il faut retenir

  • Les neutrinos sont des particules encore mystérieuses dans le cadre du modèle standard. Certains d’entre eux possèdent une masse mais leur somme est très faible. Ils sont sans charge comme les photons, ce qui ouvre la possibilité qu’ils soient comme eux leur propre antiparticule.
  • Mais, si tel est le cas, alors ils doivent être décrits selon la théorie du physicien italien Ettore Majorana et pas selon celle du physicien britannique Paul Dirac. Pour le démontrer, il faudrait détecter une double désintégration bêta sans neutrino avec des noyaux d’atomes.
  • Les expériences Cuore et bientôt Cupid tentent de le faire. Si les neutrinos sont de Majorana, alors il est également possible qu’ils donnent la clé de l’énigme de l’antimatière manquante en cosmologie.

Cuore : l’objet le plus froid du monde pour traquer les neutrinos

Article de Laurent Sacco publié le 28/10/2014

Les aimants supraconducteurs du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC), en fonctionnement au Cern, sont un peu plus froids que le rayonnement fossile, et étaient jusque-là les objets macroscopiques les plus froids connus dans l’univers observable, à l’exception de la nébuleuse du Boomerang. Ce record a été battu par Cuore, un détecteur en construction destiné à percer les secrets de la nature des neutrinos. Les physiciens ont abaissé la température de 400 kilos de cuivre à seulement six millikelvins. Et ils ont aussi utilisé… des lingots de plomb d’une épave de navire romain.

Une faible fraction de la matière noire nous est connue et elle se rencontre sur Terre : ce sont les neutrinos. Nous savons qu’ils possèdent une masse et qu’ils oscillent en se transformant les uns dans les autres mais nous ignorons encore l’origine exacte de cette masse. Nous ne savons pas non plus si neutrinos et antineutrinos sont des particules distinctes. S’ils ne le sont pas, ils seraient alors des fermions de Majorana. Auquel cas d’autres neutrinos pourraient exister, ce qui aurait des conséquences sur les modèles de matière noire dont on ne peut toujours pas se passer pour expliquer la naissance des galaxies. En outre, ces particules permettent d’envisager des processus expliquant pourquoi la matière domine de façon écrasante l’antimatière dans l’univers observable, alors que les équations du modèle standard montrent que matière et antimatière auraient dû être produites en quantités égales lors du Big Bang.

L’une des expériences permettant de savoir si les neutrinos sont des fermions de Majorana s’appelle Cuore (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events). Une autre porte le nom de GERmanium Detector Array (Gerda). Toutes deux, qui ont lieu sous le Gran Sasso en Italie, ont pour objectif de partir à la chasse de la double désintégration bêta sans neutrinos. Comme il s’agit d’une radioactivité difficile à déceler, l’expérience impose de réduire le plus possible le bruit de fond des rayons cosmiques ainsi que l’écho de la désintégration naturelle des noyaux présents dans le détecteur lui-même. La première source de bruit est limitée une première fois par les 1.400 m de roche qui séparent Cuore de la surface de la Terre. Pour abaisser encore ce bruit de fond, un physicien a eu l’idée de récupérer une trouvaille en archéologie.

Des lingots romains pour la physique des particules

En 1988, un plongeur avait découvert les restes d’une sorte de cargo de l’époque romaine, un navis oneraria magna immergé à 28 m de profondeur et à 2 km de la côte sarde. Probablement coulé volontairement entre 80 et 50 avant J.-C., afin que son contenu ne soit pas dérobé par des ennemis, il transportait 1.000 lingots de plomb pesant 33 kg chacun. Lorsqu’il a pris connaissance de ce trésor, peu de temps après sa découverte, le physicien italien Ettore Fiorini, qui travaillait déjà sur le projet Cuore, a tout de suite compris son intérêt. Le plomb permet certes de construire des boucliers contre les radiations mais il contient lui-même, fraîchement extrait du minerai, du plomb 210. C’est un isotope radioactif dont la demi-vie est de 22 ans. Fondues il y a plus de 2.000 ans, les 33 tonnes de lingots romains ont perdu en très grande partie leur radioactivité naturelle. Ce matériau pouvait donc servir à envelopper les instruments de Cuore sans devenir une source de rayonnement compromettant la détection d’une double désintégration bêta sans neutrinos.

La construction de Cuore n’est pas encore terminée. À terme, le détecteur pèsera presque deux tonnes et il contiendra 1.000 bolomètres constitués de cristaux en dioxyde de tellure. Pour identifier des fluctuations d’énergie causées dans les cristaux par la double désintégration bêta qui fera monter la température dans les bolomètres, il faut que ceux-ci soient refroidis à dix millikelvins, autrement dit à dix-millièmes de degré au-dessus du zéro absolu.

Les membres de Cuore viennent d’annoncer qu’ils avaient à cet égard battu un record. Le rayonnement fossile étant à 2,7 K, il n’existe pas dans l’univers observable aujourd’hui de système physique naturel à plus basse température, à l’exception de la nébuleuse du Boomerang. Les physiciens ont cependant refroidi un volume du détecteur d’environ 1 m3 contenant une masse de cuivre d’environ 400 kg à 6 mK. On n’était jamais descendu aussi bas pour un objet aussi gros dans un laboratoire…

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