Le positronium est un atome purement leptonique, dans lequel un électron et un positron sont liés par les forces électromagnétiques. Ses canaux d'annihilation habituels sont prédits avec précision : le paraphotonium se désintègre en deux photons, l'orthopositronium en trois. Si une particule invisible apparaît dans la désintégration (par exemple un photon sombre ou un état de type axion), une partie de l'énergie s'échappe sans être vue, et l'événement ressemble à une énergie « manquante ». Les recherches antérieures, notamment l'expérience de l'ETH Zurich avec un calorimètre 4π en BGO, ont atteint une limite de l'ordre de 4,3×10⁻⁷ sur la probabilité de désintégration invisible. Le travail de KAPAE II s'inscrit dans la série des tentatives visant à améliorer cette limite d'un ordre de grandeur, mais s'en distingue par son approche : le détecteur est conçu spécialement pour la recherche d'énergie manquante, et non pour l'étude des désintégrations visibles, et il fonctionne profondément sous terre à des températures cryogéniques.
Le détecteur KAPAE II est construit autour d'un réseau de 25 cristaux de BGO (oxyde de bismuth et de germanium) de 30×30×150 mm, qui entourent une zone centrale contenant une source de sodium 22 et un déclencheur en film de PEN de 375 µm d'épaisseur. Le film détecte le positron, tandis que les cristaux de BGO enregistrent les photons gamma d'énergies 511 et 1275 keV. Pour optimiser la géométrie et l'épaisseur du déclencheur, on a utilisé la simulation Geant4 : il s'agissait de trouver le compromis entre l'efficacité de détection du positron et la distorsion minimale du rayonnement gamma. La lumière de chaque cristal était lue par une matrice de 16 photomultiplicateurs au silicium (SiPM) avec un préamplificateur, et les données étaient numérisées à une fréquence de 62,5 MHz. Le détecteur est placé dans une enceinte cryogénique avec blindage de cuivre et de plomb, et installé dans le laboratoire souterrain Yemi à 1000 mètres de profondeur, où le flux de muons est réduit de plus de 330 000 fois.
Après refroidissement à −37,5 °C, la résolution en énergie du détecteur s'est améliorée : à 511 keV, elle atteint 11,7 % (contre 14,8 % à température ambiante), et à 1275 keV, 6,5 %. Pour un cristal isolé à surface diffuse, une résolution de 10,8 % a été obtenue à 662 keV, nettement meilleure que les 15 % typiques des cristaux de l'expérience de l'ETH Zurich. Le résultat principal est la suppression des événements de fond : le taux de coïncidences positron-gamma en surface était de l'ordre de 1 Hz, avec des pics jusqu'à 65 Hz, alors que sous terre il est tombé en dessous de 3×10⁻⁴ Hz, soit une réduction de plus de trois ordres de grandeur. Après correction des fuites optiques de lumière entre cristaux voisins, le spectre d'énergie total concorde bien avec la simulation Geant4, ce qui confirme que le détecteur est prêt à partir en quête des désintégrations invisibles.
Ce travail se distingue de ses voisins dans l'archive par le fait qu'il mène jusqu'à la réalisation pratique un cycle complet : de la modélisation de la géométrie au fonctionnement stable sous terre à température cryogénique. Contrairement aux expériences à détecteurs segmentés, KAPAE II utilise un calorimètre compact au nombre de canaux réduit, ce qui diminue la probabilité d'événements parasites à énergie « manquante ». L'installation ne se contente pas de vérifier des prédictions théoriques : elle crée un instrument capable d'améliorer d'un ordre de grandeur la limite existante sur la probabilité de désintégration invisible du positronium. Cela élargit la fenêtre de recherche des particules légères du secteur sombre, invisibles dans d'autres expériences.
Sur la base de la sensibilité atteinte, on prévoit de mener une campagne de prise de données et d'établir une nouvelle limite sur la probabilité de désintégration invisible du positronium, au niveau de 10⁻⁸. Une amélioration supplémentaire pourrait passer par l'allongement du temps de prise de données, l'optimisation de la sélection des événements et une modélisation plus fine des fonds. On peut aussi envisager d'étendre la recherche aux désintégrations partiellement invisibles, où l'on détecte un photon d'énergie anormale. À terme, la méthode pourrait être transposée à d'autres états exotiques légers prédits par les modèles de secteur caché.
Le détecteur KAPAE II aura un impact sur la physique des particules élémentaires, en particulier sur la recherche des particules légères du secteur sombre, comme les photons sombres et les particules de type axion. Ses résultats seront utiles pour affiner les modèles au-delà du Modèle standard et pour planifier de futures expériences sur le positronium.
La prochaine étape est une longue campagne de prise de données dans le laboratoire souterrain et l'analyse des événements à énergie manquante. Viendra ensuite la comparaison avec la simulation et l'établissement d'une nouvelle limite sur la probabilité de désintégration invisible.
La recherche des désintégrations invisibles du positronium est directement liée à l'un des grands problèmes non résolus de la physique des particules : la nature de la matière noire. Si la matière noire est constituée de particules légères interagissant faiblement avec la matière ordinaire, celles-ci peuvent se manifester précisément dans ce type de désintégrations rares. Gagner un ordre de grandeur sur la limite permettra soit de détecter un signal, soit de restreindre sensiblement la classe des modèles de secteur caché.
Le positronium est le plus léger des atomes connus : sa masse est 2000 fois plus petite que celle de l'atome d'hydrogène. La durée de vie de l'orthopositronium dans le vide est d'environ 142 nanosecondes, mais dans le détecteur il s'annihile plus vite à cause de son interaction avec la matière.
L'idée de particules invisibles emportant de l'énergie fait écho à la « matière noire » de la science-fiction, par exemple dans le roman de Liu Cixin « Le Problème à trois corps », où une substance invisible influence les processus physiques. Dans l'expérience réelle, cependant, il s'agit d'une recherche rigoureuse de candidats précis, et non de substances fantastiques.