Au fond d'une montagne du centre de l'Italie, les scientifiques tendent un piège à la matière noire. L'appât? Un grand réservoir en métal rempli de 3,5 tonnes (3 200 kilogrammes) de xénon liquide pur. Ce gaz noble est l'une des substances les plus propres et les plus résistantes aux radiations de la Terre, ce qui en fait une cible idéale pour capturer certaines des interactions de particules les plus rares de l'univers.
Tout cela semble vaguement sinistre; a déclaré Christian Wittweg, un doctorant à l'Université de Münster en Allemagne, qui a travaillé avec la soi-disant collaboration au xénon pendant une demi-décennie, aller travailler tous les jours ressemble à "rendre visite à un méchant de Bond". Jusqu'à présent, les chercheurs montagnards n'ont capturé aucune matière noire. Mais ils ont récemment réussi à détecter l'une des interactions de particules les plus rares de l'univers.
Selon une nouvelle étude publiée aujourd'hui (24 avril) dans la revue Nature, l'équipe de plus de 100 chercheurs a mesuré, pour la première fois, la désintégration d'un atome de xénon-124 en un atome de tellure 124 grâce à un processus extrêmement rare appelé double capture d'électrons à deux neutrinos. Ce type de désintégration radioactive se produit lorsque le noyau d'un atome absorbe simultanément deux électrons de sa couche externe d'électrons, libérant ainsi une double dose de particules fantomatiques appelées neutrinos.
En mesurant cette désintégration unique dans un laboratoire pour la première fois, les chercheurs ont pu prouver avec précision à quel point la réaction est rare et combien de temps il faut au xénon-124 pour se désintégrer. La demi-vie du xénon-124 - c'est-à-dire le temps moyen nécessaire à un groupe d'atomes de xénon-124 pour diminuer de moitié - est d'environ 18 sextillions d'années (1,8 x 10 ^ 22 ans), soit environ 1 billion de fois l'âge actuel de l'univers.
Il s'agit de la demi-vie unique la plus longue jamais mesurée directement dans un laboratoire, a ajouté Wittweg. Un seul processus de désintégration nucléaire dans l'univers a une demi-vie plus longue: la désintégration du tellure-128, qui a une demi-vie plus de 100 fois plus longue que celle du xénon-124. Mais cet événement d'une rare disparition n'a été calculé que sur papier.
Une carie précieuse
Comme pour les formes les plus courantes de désintégration radioactive, la double capture d'électrons à deux neutrinos se produit lorsqu'un atome perd de l'énergie lorsque le rapport des protons et des neutrons dans le noyau atomique change. Cependant, le processus est beaucoup plus difficile que les modes de désintégration plus courants et dépend d'une série de "coïncidences géantes", a déclaré Wittweg. Le fait d'avoir des tonnes littérales d'atomes de xénon avec lesquels travailler rendait les chances de ces coïncidences beaucoup plus probables.
Voici comment cela fonctionne: tous les atomes de xénon-124 sont entourés de 54 électrons, tournant dans des coquilles brumeuses autour du noyau. La capture du double électron à deux neutrinos se produit lorsque deux de ces électrons, dans des coquilles proches du noyau, migrent simultanément dans le noyau, se brisant en un proton chacun et convertissant ces protons en neutrons. En tant que sous-produit de cette conversion, le noyau crache deux neutrinos, des particules subatomiques insaisissables sans charge et pratiquement sans masse qui n'interagissent presque jamais avec quoi que ce soit.
Ces neutrinos s'envolent dans l'espace et les scientifiques ne peuvent les mesurer que s'ils utilisent un équipement extrêmement sensible. Pour prouver qu'un événement de double capture d'électrons à deux neutrinos s'est produit, les chercheurs au xénon ont plutôt regardé les espaces vides laissés dans l'atome en décomposition.
"Après que les électrons ont été capturés par le noyau, il reste deux lacunes dans la coquille atomique", a déclaré Wittweg. "Ces postes vacants sont comblés par des obus supérieurs, ce qui crée une cascade d'électrons et de rayons X."
Ces rayons X déposent de l'énergie dans le détecteur, ce que les chercheurs peuvent clairement voir dans leurs données expérimentales. Après un an d'observations, l'équipe a détecté près de 100 cas d'atomes de xénon-124 en décomposition de cette manière, fournissant la première preuve directe du processus.
Cette nouvelle détection du deuxième processus de désintégration le plus rare dans l'univers ne rapproche pas l'équipe de Xenon de la recherche de matière noire, mais elle prouve la polyvalence du détecteur. La prochaine étape des expériences de l'équipe consiste à construire un réservoir de xénon encore plus grand - celui-ci capable de contenir plus de 8,8 tonnes (8000 kg) de liquide - pour offrir encore plus d'opportunités de détecter des interactions rares, a déclaré Wittweg.
