La recherche de la double désintégration bêta sans neutrinos (0νββ) est considérée comme l'un des moyens les plus sensibles de déterminer la nature du neutrino. Cependant, la sensibilité des futures expériences dépend directement de la précision des éléments de matrice nucléaires (NME), qui ne peuvent pas être mesurés directement. Ils sont calculés dans le cadre de modèles nucléaires, et les incertitudes de ces calculs limitent l'interprétation des résultats. Les désintégrations bêta interdites, en particulier celles du deuxième ordre d'interdiction, comme celle du 99Tc, se sont révélées être un test strict pour ces modèles : leurs périodes de demi-vie et la forme de leur spectre dépendent fortement des fonctions d'onde nucléaires et de la renormalisation effective des courants faibles. Ce travail s'inscrit dans la lignée de mesures récentes de spectres bêta de différents isotopes, mais il utilise un détecteur fondamentalement différent : un détecteur à dérive en silicium (SDD) au lieu de calorimètres cryogéniques. Cette approche promet une plus grande flexibilité expérimentale et la possibilité de mesurer directement le bruit de fond.
La source de 99Tc a été préparée par séchage par sublimation : une goutte de solution de pertechnétate d'ammonium a été déposée sur un substrat de silicium, congelée à -10°C puis séchée sous vide afin d'obtenir une couche mince homogène sans gros cristaux. L'activité de la source était d'environ 10 Bq. Le détecteur principal est un détecteur à dérive en silicium (SDD) de 1 mm d'épaisseur et de 8×8 mm de surface, fabriqué chez FBK. À côté, un cristal scintillateur LYSO contenant l'isotope naturel lutécium-176, qui lors de sa désintégration émet des raies gamma et X à des énergies de 55.8, 201.8 et 306.8 keV, a été placé. Le cristal était lu par un photomultiplicateur en silicium (SiPM). Les événements dans le SDD coïncidant temporellement avec un signal du SiPM ont été utilisés pour étalonner l'échelle en énergie ; les événements sans coïncidence ont été attribués à la désintégration bêta du 99Tc. Ce schéma a permis d'étalonner le détecteur pendant la prise de données, sans soustraire la contribution de la source d'étalonnage du spectre. La mesure a duré six jours dans une chambre à vide à une pression de 10^-5 mbar, le détecteur étant refroidi à -10°C pour réduire le courant de fuite. Pour tenir compte des distorsions du spectre (auto-absorption dans la source, rétrodiffusion des électrons, collection incomplète de la charge), une simulation détaillée du dispositif a été construite avec GEANT4 et le package physique Penelope, optimisé pour les basses énergies. Le bruit de fond a été mesuré séparément en remplaçant le substrat avec le technétium par une plaquette de silicium propre, et a été ajusté par un modèle analytique.
Après sélection des événements sur le temps de montée de l'impulsion (pour supprimer les effets de bord), environ 180 000 événements ont été inclus dans l'analyse. L'efficacité de sélection s'est avérée pratiquement indépendante de l'énergie, comme l'ont confirmé les pics d'étalonnage. Le spectre mesuré a été comparé aux prédictions de différents modèles. D'abord, les données de MetroBeta, obtenues avec des calorimètres magnétiques métalliques, ont été utilisées comme spectre d'entrée et convoluées avec la fonction de réponse de notre dispositif. L'accord était raisonnable, bien que la valeur de p soit formellement faible (chi-carré de 477 pour 344 degrés de liberté), ce qui indique d'éventuelles systématiques non prises en compte dans l'un des travaux. Ensuite, une comparaison a été faite avec les calculs du modèle en couches réaliste (RSM) avec des opérateurs de désintégration « nus » et « effectifs », ainsi qu'avec le modèle phénoménologique BetaShape. Les deux versions du RSM décrivent mieux la forme du spectre que BetaShape, et le calcul avec les opérateurs « nus » donne un meilleur accord sur la forme, mais moins bon sur la période de demi-vie. Cela montre que la forme du spectre et la période de demi-vie fournissent des contraintes complémentaires. L'analyse bayésienne finale avec cinq paramètres libres (facteurs de suppression des courants axial et vectoriel, épaisseur de la source, amplitude du bruit de fond, valeur Q) a donné des facteurs moyens de suppression q_gA = 0.40(1) et q_gV = 0.47(1). Ces valeurs indiquent une suppression significative des deux courants par rapport aux opérateurs « nus ». Les prédictions du RSM avec des opérateurs effectifs donnent q_gA = 0.81 et q_gV = 0.58, c'est-à-dire qu'elles vont dans la bonne direction mais ne reproduisent pas entièrement la suppression extraite. La valeur Q déterminée par l'ajustement est de 291.6(7) keV, nettement inférieure à la valeur de MetroBeta de 295.82(16) keV. Cependant, une analyse répétée avec un a priori gaussien sur la valeur Q provenant de MetroBeta a donné q_gA = 0.42(1) et q_gV = 0.43(1), ce qui signifie que les conclusions sur la suppression des courants ne changent pas. L'ajustement final décrit bien les données : chi-carré de 327 pour 340 degrés de liberté, valeur de p d'environ 70 %.
Le principal résultat est la confirmation indépendante que, pour décrire les désintégrations bêta interdites, il est nécessaire de prendre en compte la renormalisation des courants faibles, et quantitativement elle s'avère plus forte que ce que prédit le modèle en couches réaliste moderne avec des opérateurs effectifs. Cela indique que la description théorique actuelle est incomplète et fournit une référence pour améliorer les modèles. Contrairement aux travaux sur calorimètres cryogéniques, où la source est intégrée au détecteur et où le bruit de fond est modélisé, ici le bruit de fond est mesuré directement et l'étalonnage est effectué sans soustraire la contribution de la source d'étalonnage. Cette approche réduit les incertitudes systématiques liées à la modélisation du bruit de fond et rend la méthode attrayante pour des études systématiques de nombreux isotopes. Le travail démontre également que les détecteurs à dérive en silicium fonctionnant à température ambiante peuvent concurrencer les calorimètres cryogéniques en précision pour la mesure de la forme des spectres bêta.
La méthode peut être étendue à d'autres transitions bêta interdites, par exemple 36Cl et 94Nb, comme le prévoit la collaboration ASPECT-BET. Cela permettra d'accumuler des statistiques sur différents noyaux et différents degrés d'interdiction afin de mettre en évidence des tendances systématiques dans la renormalisation des courants faibles. Une amélioration supplémentaire de la précision est possible grâce à des sources plus minces (réduction de l'auto-absorption), à l'optimisation de la géométrie du détecteur et à l'augmentation du temps de mesure. Il est également important de résoudre le désaccord sur la valeur Q entre cette mesure et les données de MetroBeta : cela pourrait indiquer des effets systématiques non pris en compte dans l'une des expériences. Sur le plan théorique, des calculs plus sophistiqués des opérateurs effectifs sont nécessaires pour reproduire la suppression extraite sans paramètres d'ajustement.
Les résultats influencent directement l'évaluation de la fiabilité des éléments de matrice nucléaires pour la double désintégration bêta sans neutrinos du 100Mo, qui est l'un des principaux candidats pour les futures expériences de l'ordre de la tonne (CUPID, AMoRE). Une meilleure compréhension de la renormalisation des courants faibles réduira les incertitudes théoriques dans les prédictions de sensibilité de ces expériences.
Mesurer les spectres d'autres désintégrations bêta interdites (36Cl, 94Nb) avec la même méthode et comparer les facteurs de suppression obtenus avec les prédictions théoriques. Effectuer une mesure indépendante de la valeur Q du 99Tc avec une haute précision pour élucider la cause du désaccord avec MetroBeta.
En physique nucléaire, la question de l'ampleur et de l'origine de la renormalisation des courants axial et vectoriel dans le milieu nucléaire reste ouverte. Ce phénomène est connu sous le nom d'« extinction » (quenching) et se manifeste par une sous-estimation systématique des probabilités expérimentales des transitions bêta par rapport aux calculs sur nucléons libres. Ce travail fournit de nouvelles contraintes quantitatives sur l'extinction pour le cas d'une transition interdite de deuxième ordre, où la contribution du courant vectoriel est également significative, ce qui est rare dans d'autres canaux. La compréhension du mécanisme d'extinction est nécessaire pour calculer de manière fiable les éléments de matrice nucléaires non seulement de la double désintégration bêta, mais aussi d'autres processus faibles dans les noyaux.
Le technétium-99 est un isotope artificiel avec une période de demi-vie de 211 000 ans. Il est produit en quantités importantes comme produit de fission de l'uranium dans les réacteurs nucléaires et est l'un des principaux radionucléides à vie longue dans le combustible nucléaire usé. Sa désintégration bêta mène au ruthénium-99, qui est stable.