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XENON1T mesure directement la plus longue demi-vie de l’univers

par Sophie Trincaz - 6 mai 2019

La collaboration internationale XENON a annoncé la découverte de la double capture électronique du Xe124. L’observation confirme certaines des prédictions théoriques qui étaient formulées pour comprendre la stabilité de ce noyau, il s’agit par ailleurs d’une prouesse expérimentale pour l’observation de phénomènes rares : la plus grande demi-vie mesurée directement. Le groupe LPNHE-XENON est fier de partager cette découverte et de participer à l’expérience XENON1T depuis quatre ans. Les résultats ont été publiés dans le journal scientifique « Nature » du 25 Avril.

L’univers a environ 13 milliards d’années, un temps inconcevable selon les standards humains - pourtant, comparé à certains processus physiques, ce n’est qu’un bref moment. Il existe des noyaux radioactifs qui se désintègrent sur des échelles de temps beaucoup plus longues. La Collaboration XENON a mesuré directement la plus longue demi-vie jamais enregistrée. À l’aide du détecteur XENON1T, principalement utilisé pour la recherche de matière noire, les chercheurs ont réussi à observer pour la première fois la désintégration d’atomes de Xénon-124. La demi-vie d’un processus est le temps après lequel la moitié des atomes radioactifs présents dans un échantillon s’est désintégrée. La demi-vie mesurée pour le Xénon-124 est environ un million de milliards de fois plus longue que l’âge de l’univers - un record mondial. Cela rend la décroissance radioactive observée, appelée double capture électronique du Xénon-124, le processus le plus rare jamais observé dans l’univers.

Pour comprendre ce processus, il faut savoir qu’un noyau atomique est constitué normalement de protons chargés positivement et de neutrons neutres, qui sont entourés de plusieurs coquilles atomiques occupées par des électrons chargés négativement. Le Xénon-124, par exemple, a 54 protons et 70 neutrons. Dans la double capture électronique, deux protons du noyau « capturent » simultanément deux électrons de la coquille atomique la plus interne, se transforment en deux neutrons et émettent deux neutrinos. Les autres électrons atomiques se réorganisent pour combler les deux trous de la coquille la plus interne. L’énergie libérée dans ce processus est emportée par des rayons X et des électrons dits Auger. Cependant, ces signaux sont très difficiles à détecter, car la double capture électronique est un processus très rare qui est masqué par les signaux de la radioactivité « normale » omniprésente.

Observation des 126 événements dans la région d’énergie d’intérêt qui émergent du bruit de fond connu. Les résiduels autour de la bande verte montrent la qualité de l’ajustement fait. La figure en bas est un signal de la source I-125 obtenu suite à une calibration de six jours et il montre comment ce bruit de fond dominant est décalé en énergie par rapport au signal découvert.

« Le fait que nous ayons pu observer directement ce processus montre à quel point notre méthode de détection est puissante, y compris pour les signaux qui ne proviennent pas de la matière noire », déclare le professeur Christian Weinheimer de l’Université de Münster (Allemagne), où une grande partie de l’étude a été réalisée. En outre, le nouveau résultat fournit également des informations pour des investigations ultérieures sur les neutrinos, les plus légères de toutes les particules élémentaires dont la nature n’est pas encore totalement comprise. XENON1T est un projet expérimental conjoint avec environ 160 scientifiques d’Europe, des États-Unis et du Moyen-Orient. Parmi les participants français figurent les laboratoires Subatech (CNRS/IN2P3 – IMT Atlantique – Université de Nantes), LPNHE (CNRS/IN2P3 - Sorbonne Université) et LAL (Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire, Université Paris-Sud, CNRS/IN2P3, Université Paris-Saclay, F-91405 Orsay, France). Des moyens matériels important ont pu être apportés par les équipes
françaises grâce aux contributions du CNRS/In2p3, des régions Pays de la
Loire et Ile-de-France.

XENON1T a enregistré des données de 2016 jusqu’à décembre 2018, il a ensuite été arrêté. Les scientifiques sont actuellement en train de mettre à niveau l’expérience pour la nouvelle phase « XENONnT », qui comportera une masse de détecteur actif trois fois plus grande. Grâce à un niveau de bruit réduit, la sensibilité du détecteur sera amplifiée d’un ordre de grandeur.

Pour plus d’informations, consultez le site web de l’experience XENON, l’article de la revue Nature rapportant ces résultats et sa version Arxiv.

Contact au LPNHE : Luca Scotto Lavina

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