Claudia Nones, physicienne des particules à l’Irfu, vient de recevoir une bourse ERC « Consolidator » pour ses recherches sur les neutrinos. Le projet BINGO vise à aller encore plus loin dans les performances des bolomètres scintillants, technique de détection d'une désintégration rare appelée double beta sans emission de neutrinos, signature de la nouvelle physique au delà du modèle standard de la physique des particules.
réalisation E. Lemaitre/Irfu dec 2019
Le neutrino, une particule élusive
L’origine de sa très petite masse, plus de 6 ordres de grandeur en deçà du plus léger des leptons chargés, échappe au mécanisme de Higgs qui permet d’expliquer l’origine de la masse des particules élémentaires. De plus le neutrino est la seule particule de matière qui est électriquement neutre. Il pourrait dont être sa propre antiparticule. Il ne serait pas une particule de Dirac comme les autres mais d’un autre nature dite de Majorana où neutrino et anti-neutrino serait une seule et même entité.
Une des voies pour prouver que le neutrino est la clé de la nouvelle physique est d’étudier sa façon de violer les règles du modèle standard.
D'un point de vue expérimental, la mise en évidence du caractère "Majorana" du neutrino passe par l'étude des mécanismes de double désintégration beta sans émission de neutrinos (notée 0νββ) ce qui violerait la conservation du nombre leptonique (la charge léptonique des 2 électrons ne serait pas compensée par celle des 2 antineutrinos).
Si le neutrino était une particule de Majorana, d’une autre nature que les autres particules de matière, l’anomalie sur sa masse, donc son couplage au boson de Higgs, pourrait être levée.
De plus si le neutrino était une particule de Majorana, il serait sa propre antiparticule. La désintégration 0νββ ne produirait que de la matière et pas d’antimatière ce qui pourrait avoir une conséquence sur le mystère de l’asymétrie matière antimatière de l’univers.
Résoudre le problème de la hiérarchie de masse des neutrinos
Il se trouve que la mesure de la demi-vie du processus de double désintégration ββ peut être exprimée en terme de masse effective des neutrinos qui est une combinaison linéaire des états propres de masse m1, m2 m3. On ne connait pas la masse absolue des 3 saveurs de neutrinos. Il y a deux types de hiérarchies de masse :
Les limites actuelles déduites des expériences de recherche de double désintégration beta fixent une masse effective inférieure à 60 meV et et la prochaine étape sera de tester la hiérarchie inverséee.
La signature expérimentale est cachée dans la composante à haute énergie du spectre d'énergie des 2 électrons. Un pic en bout de spectre serait la preuve que seuls 2 électrons sont émis sans de neutrinos.
(crédit , Xavier Garrido, MOOC Des particules aux étoiles, PHENICCS)
Claudia Nones est spécialiste dans l’étude de cette désintégration et développe depuis plus de 10 ans des techniques de bolomètres cryogéniques (<20 mK) permettant de détecter ces évènements de décroissance radioactive très rares.
La double désintégration beta avec émission de neutrinos résulte de la transformation simultanée de 2 neutrons d'un noyau en 2 protons avec émission de 2 électrons et 2 anti-neutrinos (voie permise par le modèle standard) et 0 anti-neutrinos (voie interdite). En étudiant la distribution en énergie des 2 électrons émis et en se concentrant sur sa composante à haute énergie, on cherche à mettre en évidence un excès significatif d'événements, un pic dans le spectre énergétique total des électrons, caractéristique d'un signal de double désintégration beta sans émission de neutrinos. La difficulté expérimentale de ce type de mesure tient à la maîtrise des bruits de fond à même capable de mimer un hypothétique signal 0 neutrinos.
Les bolomètres cryogéniques sont des composés cristallins qui contiennent la source émetteur ββ, et qui couplés à un capteur de température, agissent comme des calorimètres capables de détecter l’infime élévation de température, de l’ordre de 0,3 mK, due aux décroissances. En ajoutant à la lecture de cette chaleur dégagée par les interactions des électrons, celle de la lumière émise par scintillation, le bruit de fond de la radioactivité alpha peut être rejeté.
En combinant la technique de bolomètre scintillant au bon choix de composé cristallin et au bon émetteur ββ, il est possible d’obtenir une rejection des bruits de fond de 0.0001 événement de fond détecté par unité de masse de détecteur, temps d’exposition et énergie (kg an keV).
Le projet BINGO vise à aller encore plus loin dans les performances des bolomètres scintillants avec un indice de fond d'environ 10-5 coups/(keV kg y) et une résolution énergétique très élevée - de l'ordre de 1,5‰ - dans la région d’intérêt.
Il utilisera deux isotopes extrêmement prometteurs - 100Mo et 130Te - dont les avantages et inconvénients ne peuvent être tranchés pour le moment.
Le projet apportera trois ingrédients originaux à la technologie ;
Ces technologies seront largement testées dans un démonstrateur à deux isotopes, baptisé MINI-BINGO, qui sera installé dans un laboratoire souterrain européen dans une infrastructure cryogénique dédiée à ce démonstrateur.
Contact : Claudia NONES
• Constituants élémentaires et symétries fondamentales › Physique des neutrinos Détection des rayonnements › Détecteurs pour la physique des 2 infinis
• Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu) • Le Département d'Électronique des Détecteurs et d'Informatique pour la Physique (DEDIP) • Le Département de Physique des Particules (DPhP)
• Neutrinos sources et réacteurs
• LUMINEU
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Dernière mise à jour : 20-11-2024
