La recherche de désintégrations rares ouvre une fenêtre sur la physique au-delà du Modèle standard. La double désintégration bêta sans neutrino classique (0ν2β) indiquerait une nature de Majorana du neutrino, mais des décennies de recherches n'ont pas encore donné de résultat. En 2013, Heeck et Rodejohann ont proposé de rechercher la quadruple désintégration bêta sans neutrino (0ν4β), qui est possible même pour des neutrinos de Dirac. Si 0ν4β était détectée en l'absence de 0ν2β, cela constituerait un argument fort en faveur de la nature de Dirac du neutrino. Le travail de PandaX-4T s'inscrit dans la lignée des recherches sur la violation du nombre leptonique avec des détecteurs à xénon liquide, aux côtés des études de la double désintégration bêta du xénon-136 et de la double capture électronique du xénon-124.
L'analyse a utilisé les données de deux campagnes de PandaX-4T : la campagne de mise en service (Run0) et la première campagne scientifique (Run1), avec une exposition totale de 148,4 kg·an en isotope xénon-136. Le détecteur est une chambre à projection temporelle à deux phases contenant 3,7 tonnes de xénon liquide, installée au laboratoire souterrain de Jinping à 2400 mètres de profondeur. La région d'énergie d'intérêt a été élargie à 20–140 keV afin de couvrir le pic attendu à 79 keV. Le bruit de fond a été modélisé à partir des matériaux du détecteur, des impuretés de krypton-85, du radon, de la double désintégration bêta du xénon-136, de la double capture électronique du xénon-124 et des neutrinos solaires. Pour estimer les contributions du bruit de fond, des données de calibration et des simulations Monte-Carlo basées sur Geant4 ont été utilisées.
Aucun excès statistiquement significatif par rapport au bruit de fond n'a été observé dans le spectre. Une limite supérieure sur le taux de signal de 43,75 événements par tonne et par an a été obtenue, ce qui correspond à une limite inférieure sur la période de demi-vie de la quadruple désintégration bêta sans neutrino du xénon-136 : T₁/₂ > 6,01×10²⁴ ans au niveau de confiance de 90 %. La sensibilité médiane s'élève à 5,5×10²⁴ ans. Le résultat est 1,6 fois plus contraignant que la limite précédente de XMASS (3,7×10²⁴ ans) et constitue la limite la plus stricte pour ce processus dans le xénon. Les bruits de fond dominants sont le xénon-133 activé pour Run0 et le plomb-214 de la chaîne du radon pour Run1.
Ce travail se distingue des recherches voisines par l'utilisation, pour la première fois, d'une grande masse fiduciaire d'un détecteur à xénon liquide pour la recherche de 0ν4β, alors que la limite précédente avait été obtenue avec le plus petit détecteur XMASS. La nouvelle limite commence à contraindre les modèles théoriques de violation du nombre leptonique de quatre unités. L'absence de signal ne permet pas encore de conclure sur la nature du neutrino, mais elle démontre que les détecteurs à xénon liquide peuvent être compétitifs dans ce domaine.
Une amélioration supplémentaire de la sensibilité est attendue grâce à l'analyse des données de Run2 et au futur détecteur PandaX-xT, d'une masse de plusieurs dizaines de tonnes. L'augmentation de l'exposition et la réduction du bruit de fond permettront soit de détecter 0ν4β, soit d'établir des limites qui excluront une partie significative de l'espace paramétrique des modèles à quatrième nombre leptonique.
Le résultat aura un impact sur la phénoménologie des neutrinos, les modèles de violation du nombre leptonique et les recherches de matière noire liées au quatrième nombre leptonique.
Analyse des données de Run2 de PandaX-4T et préparation du lancement de PandaX-xT, où la sensibilité à 0ν4β augmentera de plusieurs ordres de grandeur.
Pour la physique des neutrinos, le problème non résolu clé est la nature de la masse du neutrino : de Majorana ou de Dirac. La recherche de 0ν4β est directement liée à ce problème, car sa détection en l'absence de 0ν2β indiquerait un scénario de Dirac. Ce travail aborde également le problème de l'origine de l'asymétrie baryonique de l'Univers via la leptogenèse, qui nécessite une violation du nombre leptonique.
La période de demi-vie de 6,01×10²⁴ ans est 400 billions de fois plus grande que l'âge de l'Univers. Si une telle désintégration se produisait, il se désintégrerait moins d'un atome par an dans un kilogramme de xénon-136.
Dans le roman « Le Problème à trois corps » de Liu Cixin, les neutrinos sont utilisés pour communiquer avec une civilisation extraterrestre. La recherche de désintégrations extrêmement rares, comme 0ν4β, rappelle les tentatives de capter des signaux presque imperceptibles venus des profondeurs du microcosme.