Dans le laboratoire souterrain de Canfranc, au cœur des Pyrénées, l’expérience CROSS, une collaboration entre les équipes de l’Irfu et d’IJCLab, vient d’entrer en phase de prise de données. Son objectif est d’étudier un phénomène extrêmement rare et encore jamais observé : la double désintégration bêta sans émission de neutrino. La découverte de ce processus bouleverserait notre compréhension des neutrinos et de l’origine de l’asymétrie entre matière et antimatière dans l’Univers et pourrait valider l’hypothèse que le neutrino et l’antineutrino serait la même particule.
Dans la double désintégration bêta « standard », déjà observée, deux neutrons se transforment en protons en émettant deux électrons et deux anti-neutrinos. Certaines théories prédisent toutefois une variante sans neutrinos, dans laquelle toute l’énergie est portée par les électrons. Ce signal se traduirait par un pic très précis dans le spectre d’énergie, que CROSS cherche à détecter avec une grande précision tout en réduisant au maximum les sources de bruit de fond.
Pour mener cette recherche, CROSS (Cryogenic Rare-event Observatory with Surface Sensitivity) est composé de 42 cristaux dont 6 en dioxyde de tellure (TeO2) et 36 cristaux de molybdate de lithium (Li2MoO4), dont 32 sont enrichis à 97 % en molybdène-100, un isotope très prometteur pour la détection d’une double désintégration beta sans émission de neutrino. Ces cristaux à la fois sources et détecteurs cryogéniques, refroidis à quelques millikelvins au-dessus du zéro absolu, pourront grâce à une sensibilité accrue mesurer la très faible énergie libérée lors d’une désintégration nucléaire sous forme d’une minuscule élévation de température.
Pour parvenir à une sensibilité inédite, l’expérience combine la mesure de la chaleur produite par chaque événement avec celle de la lumière émise par les cristaux, qui sont également scintillants. Cette double mesure permet d’identifier la nature des particules détectées et d’éliminer efficacement les événements parasites, notamment ceux dus aux particules alpha. CROSS utilise en outre une technologie avancée d’amplification du signal lumineux, appelée effet Neganov-Luke, sur les 42 détecteurs de lumière, améliorant encore la discrimination entre les événements rares recherchés et les signaux indésirables.
L’ensemble du dispositif est installé dans un cryostat protégé par des blindages et complété par un système de veto aux muons cosmiques. Bien que situé sous une montagne, le laboratoire de Canfranc n’est pas assez profond pour éliminer totalement ces particules venues de l’atmosphère, d’où la nécessité de ce système complémentaire.
L’implication de l’Irfu
Les équipes du DPhP (département de physique des particules) et du DEDIP (département d’électronique, détecteur et informatique pour la physique) ont été pleinement mobilisées dans la préparation des détecteurs de lumières, le collage des NTD sur les cristaux enrichis en molybdène-100 avec un robot dédié et dans l’assemblage du détecteur CROSS puis son installation à Canfranc.
Après plusieurs mois de mise au point, le détecteur a été installé dans le laboratoire souterrain de Canfranc, au cœur des Pyrénées par les équipes de l’IJCLab et de l’Irfu. La prise de données a débuté fin 2025. Même si CROSS est une expérience de taille modeste, elle vise à atteindre une sensibilité parmi les meilleures au monde pour le molybdène-100. Au-delà de ses résultats propres, CROSS joue un rôle clé de démonstrateur technologique pour CUPID, la future grande expérience cryogénique européenne qui prendra le relais de CUORE dans les années à venir, avec l’ambition d’explorer cette physique sur des échelles encore plus vastes.
L’actu sur le site de l’IN2P3 : https://www.in2p3.cnrs.fr/fr/cnrsinfo/cross-se-met-au-froid-pour-sonder-la-nature-profonde-du-neutrino
Page web de l’ERC : Cryogenic Rare-event Observatory with Surface Sensitivity | CROSS | Project | Fact Sheet | H2020 | CORDIS | European Commission
The CROSS experiment: detector construction, background projection, and sensitivity to 100Mo ν2β decay, D. Auguste, A.S. Barabash, G. Benato, V. Berest, L. Bergé et al., https://arxiv.org/abs/2607.26732
Contact : Claudia Nones