Le silence dans une salle bruyante : à la chasse d'une désintégration invisible ✎

Original: "Search for neutrinoless quadruple beta decay of $$^{136}$$Xe in PandaX-4T detector"
arXiv:2609.10048v1 · 2026-09-09 · arXiv non-exclusive · analyse indépendante · 3 min
Le détecteur PandaX-4T a écouté 148 kilogrammes de xénon en quête d'une désintégration qui aurait pu révéler la nature du neutrino, et n'a entendu que le bruit de fond.

Imaginez une pièce où des centaines de personnes parlent en même temps, et vous, vous essayez d'entendre une épingle tomber. C'est exactement ainsi que les physiciens de la collaboration PandaX-4T ont écouté le silence à l'intérieur de 3,7 tonnes de xénon liquide. Leur « épingle », c'est la double désintégration bêta sans neutrino du xénon-136, un événement si rare qu'en un an, dans un kilogramme de matière, moins d'un atome se désintégrerait. Le détecteur est installé profondément sous terre, dans le laboratoire chinois de Jinping, où l'épaisseur de roche étouffe le bruit cosmique.

Pourquoi une désintégration quadruple ? La double désintégration bêta sans neutrino est recherchée depuis longtemps, car elle indiquerait une nature de Majorana du neutrino, c'est-à-dire que le neutrino serait sa propre antiparticule. Mais des décennies de recherches n'ont rien donné. En 2013, les physiciens Heeck et Rodejohann ont proposé de chercher une désintégration quadruple : elle est possible même pour des neutrinos de Dirac, qui se distinguent de leurs antiparticules. Si la désintégration quadruple est observée et que la double ne l'est pas, ce sera un argument solide en faveur d'une nature de Dirac.

Pour percevoir un signal aussi faible, il ne suffit pas d'éliminer le bruit extérieur : il faut aussi connaître précisément la signature de l'instrument lui-même. Les scientifiques ont réuni les données de deux campagnes du détecteur : la mise en service et la première campagne scientifique. L'exposition totale s'élève à 148,4 kilogrammes-années pour l'isotope xénon-136. Ils ont élargi la fenêtre de recherche à des énergies allant de 20 à 140 kiloélectronvolts, afin de couvrir le pic attendu à 79 kiloélectronvolts. Puis ils ont modélisé toutes les sources possibles de bruit de fond : les impuretés de krypton-85 et de radon, la double désintégration bêta du xénon lui-même, la double capture électronique du xénon-124 et même les neutrinos solaires.

Qu'est-ce qu'un kilogramme-année ? C'est une mesure de la sensibilité accumulée. Un kilogramme-année signifie que le détecteur a fonctionné pendant un an avec un kilogramme de matière. Si vous avez 148 kilogrammes de xénon-136, alors en un an d'observation vous accumulez 148 kilogrammes-années. Plus ce nombre est grand, plus la chance de capturer un événement rare est élevée.

Le résultat de cette écoute fut un silence. Dans le spectre, aucun excès statistiquement significatif par rapport au bruit de fond n'a été trouvé. Mais ce silence a permis de fixer une nouvelle limite : la demi-vie de la double désintégration bêta sans neutrino du xénon-136 est supérieure à 6,01×10²⁴ ans. C'est 1,6 fois plus strict que la limite précédente, établie par le détecteur XMASS. On peut désormais l'affirmer : si une telle désintégration se produit, il faudra l'attendre plus longtemps que l'Univers n'existe, 400 billions de fois plus longtemps.

Pour l'instant, ce silence ne répond pas à la question centrale sur la nature du neutrino, mais il réduit le terrain pour les théoriciens. Les modèles qui prévoyaient une désintégration quadruple plus rapide sont maintenant écartés. Et la chasse continue : l'analyse des données de la deuxième campagne scientifique de PandaX-4T est en cours, tout comme la construction du détecteur PandaX-xT, d'une masse de plusieurs dizaines de tonnes. Peut-être que dans un silence encore plus profond, l'épingle finira par tomber.

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.

T_{1/2}^{0\nu4\beta} > 6.01 \times 10^{24} \ \text{yr} \ (90\% \ \text{C.L.})
Avec une probabilité de 90 %, la vraie période de demi-vie est supérieure à la valeur indiquée.
Scientifiques
Paul DiracEmilio Gino SegrèMarie CurieEnrico FermiChien-Shiung Wu
Notions
neutrinoéquation de Dirac