double désintégration bêta sans neutrino

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.

Au fond de la montagne, là où l'épaisseur de la roche étouffe les muons des rayons cosmiques, se dresse un détecteur qui ne capte pas la lumière, mais son absence. Le positronium est un atome minuscule, où un électron et son antiparticule, le positron, tournent l'un autour de l'autre comme un couple de danseurs.

Dans une cuve contenant trois tonnes de xénon liquide, cachée profondément sous terre, quelque chose a bougé un jour. Pas le xénon lui-même, mais l'un de ses noyaux atomiques : il a reçu une impulsion de 248 keV et a rebondi comme une boule de billard heurtée par une boule invisible.

Les piles atomiques fonctionnant sur la désintégration du plutonium alimentent depuis plus de soixante ans les stimulateurs cardiaques et les sondes spatiales. Mais la matière première est rare : dans le monde entier, on ne produit que quelques kilogrammes de plutonium-238 par an, et cela suffit tout juste pour les missions les plus importantes.

Les neutrinos solaires sont de minuscules particules nées dans les entrailles du Soleil par milliards de milliards chaque seconde. Ils traversent la Terre sans presque la remarquer et ont longtemps été considérés comme absolument stables. Mais peut-être peuvent-ils eux aussi « vieillir » — se désintégrer discrètement, disparaissant en chemin vers nous.

Une étoile massive épuise son carburant – et son cœur s'effondre en une fraction de seconde. Une supernova naît, accompagnée d'une pluie de neutrinos brève mais intense. Ces particules interagissent à peine avec la matière, elles s'échappent donc librement, emportant l'information sur la catastrophe.

Un sablier où les grains de sable se transformeraient en d'autres grains pendant leur chute : voilà à quoi ressemblent les noyaux atomiques instables. Ils vivent un instant puis se désintègrent, éjectant un électron (c'est précisément la désintégration bêta).

En 1946, proposa une méthode qui a bouleversé l'archéologie : déterminer l'âge d'un objet grâce à la désintégration du carbone 14. L'horloge tourne : tous les 5730 ans, la moitié des atomes disparaît. Mais pourquoi si lentement ? Pour un noyau léger, c'est une anomalie — les durées de vie typiques sont des millions de fois plus courtes.

Dans les premières secondes après le Big Bang, l'Univers nous a laissé non seulement de la lumière, mais aussi quelque chose de bien plus insaisissable — le fond de neutrinos reliques. Cet écho de la création imprègne chaque centimètre cube, mais nous ne le remarquons presque pas.

Lorsqu'une étoile massive épuise son carburant, son cœur s'effondre, donnant naissance à une supernova et émettant une pluie pénétrante de neutrinos.

En physique nucléaire, on a longtemps cru que deux neutrons ne pouvaient pas former un état lié — ils s'attirent trop faiblement et se séparent aussitôt. Cependant, à la surface des noyaux riches en neutrons, où la densité de matière chute à des millièmes de la densité nucléaire normale, la situation change radicalement.

La collision de deux étoiles à neutrons est un laboratoire cosmique où la matière est comprimée à des densités inimaginables. Dans les premiers instants après la fusion, un nuage brûlant se forme et se refroidit en émettant des neutrinos.

D'un côté de la balance, toute la matière de l'Univers ; de l'autre, toute l'antimatière. Selon les lois de la physique, au moment de la naissance du monde, les plateaux auraient dû s'équilibrer. Mais nous voyons qu'un plateau l'emporte : autour de nous, il y a des étoiles, des planètes, des humains, et presque pas d'antimatière.

Au plus profond du sol au Japon se trouve un immense réservoir rempli d'eau ultrapure. Il attend de rares visiteurs : les neutrinos, arrivant des explosions d'étoiles lointaines. Ces visiteurs sont si rares qu'au fil des années d'observation, l'appareil Super-Kamiokande n'enregistre que quelques événements.

Un traducteur tend l'oreille à travers des années de bruit de fond, essayant de saisir un seul mot. C'est la tâche que se donnent les physiciens qui traquent la double désintégration bêta sans neutrinos neutrino.

Dans les tout premiers instants après le Big Bang, la matière et l'antimatière auraient dû naître en quantités égales. Mais aujourd'hui, nous ne voyons que de la matière — les étoiles, les planètes, nous-mêmes. Où est passée l'antimatière ? Une des clés se cache dans des particules presque insaisissables : les neutrinos droits.

Un immense réservoir d'eau ultrapure est caché profondément sous terre au Japon. Ses parois sont tapissées de milliers de lampes sensibles à la lumière qui capturent de faibles flashs — les traces de particules fantômes traversant la masse d'eau.

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'Univers était une soupe bouillonnante de particules élémentaires. Même les neutrinos légers entraient alors en collision avec tout ce qui se présentait.

Un interprète qui, à mi-chemin de la salle, se met soudain à traduire à l'envers. C'est à peu près ce qui pourrait arriver à un neutrino — cette particule fantôme qui ignore presque la matière — si son chemin croise un nuage de matière noire ultralégère.

Au cœur de chaque atome se trouve un proton. Longtemps, on l'a cru éternel, comme la matière elle-même. Mais les théories qui unifient toutes les forces de la nature prédisent que, tôt ou tard, le proton se désintégrera. La seule question est de savoir combien de temps il faudra attendre.

Dans le noyau d'un atome de carbone, les particules occupent chacune leur « appartement » — comme des résidents qui ne peuvent pas partager la même chambre. Cette règle, les physiciens l'appellent le principe d'exclusion de Pauli : deux occupants identiques du noyau ne peuvent pas se trouver dans le même état. Mais que se passerait-il si la règle était parfois violée ?

Les neutrinos sont de minuscules particules qui traversent la planète comme la lumière traverse une vitre. Chaque seconde, des milliards de ces particules traversent l'ongle de votre petit doigt, mais en attraper ne serait-ce qu'une est un véritable défi.

La collision de deux noyaux de plomb au Grand collisionneur de hadrons, c'est comme se lancer deux lourds sacs de billes. En général, les billes s'éparpillent dans tous les sens, mais parfois un sac passe si près que les billes ne se heurtent pas, mais échangent seulement des regards.

Dans les premières minutes qui ont suivi le Big Bang, l'Univers a préparé un cocktail d'hydrogène, d'hélium et d'une pincée de lithium.

Une étoile à neutrons est le noyau mort d'une étoile qui a explosé, compressé à la taille d'une ville. Si une étoile ordinaire se trouve à proximité, l'étoile à neutrons aspire sa matière comme un aspirateur. Cette matière tombe à la surface et forme une croûte – une couche solide de noyaux atomiques riches en neutrons.

Dans une mine sombre sous les Alpes italiennes, une cuve contient trois tonnes de xénon liquide. Lorsqu'une particule y pénètre, elle arrache aux atomes de faibles flashs de lumière et des nuages d'électrons.

Le lepton tau est un lourd cousin de l'électron, qui vit moins d'un billionième de seconde. D'habitude, il se désintègre en particules plus légères, mais jamais directement en trois muons : une telle transition est interdite par les lois connues de la physique des particules. Si elle se produisait, cela signifierait que des forces inconnues agissent dans la nature.

Dans le noyau atomique, les protons et les neutrons s'empilent en couches, comme les spectateurs dans une salle comble. Lorsqu'une couche est remplie, le noyau devient particulièrement stable — les physiciens appellent ces « rangées complètes » des nombres magiques.

Le noyau atomique suit généralement ses propres lois : sa désintégration ne dépend ni de la température, ni de la pression, ni des voisins dans la molécule. Mais l'isotope uranium-235m fait exception. Ce noyau est dans un état excité, comme un ressort tendu, et il finit par libérer son excès d'énergie.

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'Univers était un bouillon brûlant de particules. Parmi elles, il pouvait y avoir des neutrinos, des particules très légères et presque insaisissables. Certains d'entre eux étaient peut-être « stériles » : ils n'interagissent presque pas avec le reste de la matière, comme un invité silencieux dans une fête bruyante.

Une balle qui ne perce pas une seule cible, mais laisse des traces dans plusieurs couches de blindage. C'est à peu près ainsi que se comporte la matière noire super-lourde, recherchée pour la première fois dans le détecteur DarkSide-50.

Dans l'accélérateur, des particules entrent en collision, et pendant un bref instant naît un méson B — une particule lourde qui vit moins d'un milliardième de seconde. Habituellement, il se désintègre en de nombreux fragments, mais parfois il se transforme en seulement deux particules : un muon et un neutrino.

Dans les premières minutes qui ont suivi le Big Bang, l'Univers ressemblait à une cuisinière brûlante. Selon la « recette » du modèle standard de la cosmologie, cette nucléosynthèse primordiale devait produire de l'hydrogène, de l'hélium et un peu de lithium.

Un caillou tombe dans un étang, et des cercles se propagent à la surface. Mais parfois, le caillou ne coule pas immédiatement : il glisse sous la surface, parcourt quelques mètres, puis remonte, créant des cercles à un endroit inattendu.

La matière visible n'est qu'une goutte dans l'océan du bouillon cosmique. L'essentiel de l'univers est constitué de matière noire invisible, dont la gravité empêche les galaxies de s'éparpiller. Le meilleur candidat pour ce rôle est le neutrino stérile, une particule fantôme qui n'est reliée à nous que par un pont ténu.

Des atomes ultra-froids peuvent se comporter comme un tout. Si un neutrino naît dans un tel nuage, il s'éclipse généralement sans laisser de trace.

Moment dipolaire mesuré du tantale-181 : 3,39 × 10⁻³² e·cm — c'est comme repérer un déplacement d'un atome à l'échelle du système solaire. Un noyau atomique ordinaire est parfaitement équilibré, telle une toupie qui tourne.

L'électron s'échappe du noyau de tritium avec une énergie de 18,57 keV, laissant derrière lui un partenaire invisible : le neutrino. Si ce neutrino a accès à la cinquième dimension, sa masse se décompose en une tour entière d'états, et chacun d'eux prélève sa part du spectre.