En haut - photo d'un cristal de Li2MoO4 enrichi couplé à son détecteur de lumière Germanium.
en bas : photo du détecteur CUPID-Mo installé à l'intérieur du cryostat d'EDELWEISS au LSM.
Dans sa forme standard, la double désintégration bêta est un processus par lequel un noyau se désintègre en un noyau différent et émet deux électrons et deux antineutrinos (2νββ). Cette transition nucléaire est très rare, mais elle a été détectée dans plusieurs noyaux grâce à des expériences complexes. Si les neutrinos sont leurs propres antiparticules, il est possible que les antineutrinos émis lors de la double désintégration bêta s'annihilent mutuellement et disparaissent. C'est ce qu'on appelle la double désintégration bêta sans neutrinos (0νββ), un phénomène jamais observé jusqu'à présent. Si 0νββ est détecté, cela permet de vérifier que les neutrinos sont leurs propres antiparticules, et ce serait un indice de la raison pour laquelle ils ont leurs minuscules masses - et s'ils ont joué un rôle dans l'existence de notre univers dominé par la matière.
L'expérience CUPID-Mo, installée au Laboratoire Souterrain de Modane, après une année de données entre mars 2019 et avril 2020 vient de fixer une nouvelle limite mondiale pour la détection de la signature 0νββ.
L'observation de 0νββ est un défi majeur : les chercheurs doivent trouver des événements rares dans "une tonne de matière en une année d'exposition".
La radioactivité de la double décroissance bêta sans neutrino correspond à moins de 10-13 Bq/g, alors que dans la vie normale nous sommes confrontés à 15 Bq/banane ! Le mode de désintégration 0νββ est un processus extrêmement rare, mais sa signature est extrêmement claire et sans ambiguïté : les scientifiques doivent trouver un pic dans le spectre de l'énergie totale déposée dans le détecteur par les deux électrons émis. La position attendue du pic est connue avec une précision de plus de 0,1 %.
La forme des spectres d'énergie de la somme des deux électrons permet de distinguer les modes de décroissance avec 0 neutrino (nouvelle physique) et 2 neutrinos.
Photo des 20 cristaux de Li2MoO4 enrichis dans leur boîtier en cuivre.
Les mots-clés de la détection du canal 0νββ sont les suivants :
- une grande exposition - de nombreux noyaux sous observation et pendant longtemps - car la probabilité de désintégration est minime ;
- une haute résolution énergétique, car sa signature est un pic qui se développe sur un continuum ;
- et, enfin, un bruit de fond incroyablement faible dans la région où le pic est attendu.
L'expérience CUPID-Mo, qui acquiert actuellement des données au Laboratoire Souterrain de Modane (France), est un démonstrateur de CUPID, la nouvelle génération de la première recherche cryogénique à l'échelle de la tonne sur 0νββ, CUORE. CUPID-Mo recherche sur une désintégration 0νββ issue du 100Mo avec un détecteur formé de 20 cristaux de Li2MoO4 enrichis de ~0,2 kg correspondant à 2,264 kg de 100Mo. La collaboration CUPID-Mo a réussi à combiner la technique du bolomètre à scintillation avec un choix approprié du noyau et du cristal pour obtenir le rejet exceptionnel du bruit de fond nécessaire pour signer la décroissance 0νββ de 100Mo avec une sensibilité sans précédent.
à la ligne 208Tl à 2615 keV
Avec l'analyse actuelle, l'expérience a accumulé plus d'une année de données (2,17 kg × an d'exposition) acquises entre mars 2019 et avril 2020. Grâce à un cycle utile efficace, une excellente efficacité d'analyse de ~ 90 % et surtout un bruit de fond nul dans la région d'intérêt, les chercheurs ont fixé une nouvelle limite mondiale pour la détection de la signature 0νββ : la décroissance de 100Mo de 1,4x1024 an, nettement meilleure que la précédente de 1,1x1024 an, obtenue par la collaboration NEMO3, experience installée aussi à Modane.
Grâce à une séparation des bruits de fond alpha-bêta/gamma très efficace et à d'excellents niveaux de radio pureté, les scientifiques obtiennent des estimations préliminaires des niveaux de bruit de fond restants nettement inférieurs au niveau de 10-2 coups/(keV kg an) dans la région d'intérêt de 0νββ (environ 3034 keV pour 100Mo) et ils sont donc en mesure d'opérer dans le régime à zéro bruit de fond pour l'analyse du canal 0νββ de CUPID-Mo . Ce niveau de fond est déjà nettement meilleur que celui obtenu dans l'expérience bolométrique la plus à la pointe, CUORE, dans la région d'intérêt.
Une meilleure calibration en énergie de l'expérience est actuellement en cours, et plusieurs analyses d'extraction du signal physique seront effectuées dans les mois à venir, ainsi qu'une étude approfondie du modèle pour soustraire le bruit de fond.
Zoom sur le spectre d'énergie dans la région d'intérêt où l'on peut voir qu'il n'y a aucun coups (zéro bruit de fond).
Plus tard dans la décennie, la technologie CUPID-Mo sera déployée à grande échelle dans l'expérience CUPID, avec environ 1500 cristaux installés au laboratoire de Gran Sasso en Italie dans l'installation actuelle de CUORE. CUPID sera alors à la pointe de la recherche sur 0νββ.
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L'expérience CUPID-Mo comprend plusieurs laboratoires français - Irfu/CEA, JCLab (Orsay), IP2I (Lyon), Institut Néel et SIMaP (Grenoble) - et d'autres laboratoires internationaux (USA, Ukraine, Russie, Italie, Chine et Allemagne). |
En savoir plus:
- Séminaire du 29 juin/2020 par Andrea Giuliani, On behalf of the CUPID-Mo collaboration
CUPID-Mo: a new limit on neutrinoless double beta decay of 100Mo
- Faits marquants précédents sur ce sujet
- interview de Claudia Nones (dec 2019)
• Constituants élémentaires et symétries fondamentales › Physique des neutrinos Détection des rayonnements › Détecteurs pour la physique des 2 infinis
• Le Département d'Électronique des Détecteurs et d'Informatique pour la Physique (DEDIP) • Le Département de Physique des Particules (DPhP)
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