Le Majorana Demonstrator, une expérience de six ans menée par des chercheurs de l’Université de l’Indiana et des collaborateurs internationaux, visait à répondre à des questions importantes sur les lois fondamentales de la physique, en particulier en ce qui concerne les neutrinos. L’étude visait à observer si les neutrinos pouvaient être leurs propres antiparticules et l’occurrence de la désintégration double bêta sans neutrinol, qui, bien qu’elle n’ait pas été observée de manière concluante, a fourni des informations précieuses sur les échelles de temps de la désintégration des neutrinos, la matière noire et la mécanique quantique, et a démontré que les techniques de recherche utilisées peuvent être mises à l’échelle pour de futurs travaux visant à comprendre la composition de l’univers.
Une équipe de chercheurs de l’université de l’Indiana, avec des collaborateurs internationaux, s’emploie activement à élucider les mystères fondamentaux entourant les lois fondamentales de la physique qui régissent notre univers.
Au cours des six dernières années, une équipe de chercheurs de l’université de l’Indiana, avec des collaborateurs internationaux, s’est efforcée de percer les mystères des lois physiques fondamentales qui régissent notre univers. Ils ont réalisé une expérience connue sous le nom de Majorana Demonstrator, qui a considérablement fait progresser notre compréhension des neutrinos, l’un des éléments fondamentaux de l’univers.
Le rapport final de l’expérience a été récemment publié dans Physical Review Letters.
Les neutrinos, minuscules particules comparables aux électrons mais dépourvues de charge électrique, sont les deuxièmes particules les plus abondantes de l’univers, après la lumière. Malgré cette abondance, il est difficile de les étudier car ils n’interagissent pas comme les autres particules.
« Les neutrinos ont un impact profond sur l’univers et la physique à toutes les échelles imaginables, nous surprenant au niveau de l’interaction des particules et ayant un large impact à l’échelle cosmique », a déclaré Walter Pettus, professeur adjoint de physique au Collège des arts et des sciences de l’université de l’Iowa. « Mais ils sont aussi les plus frustrants à étudier, car nous en savons tellement sur eux, et pourtant nous avons tellement de lacunes. »
Nafis Fuad. Crédit : Université de l’Indiana
Le démonstrateur Majorana, fruit d’une collaboration entre 60 chercheurs de 24 institutions, a été conçu pour combler plusieurs de ces lacunes en même temps, en sondant les propriétés les plus fondamentales des neutrinos.
L’un des aspects qu’ils espéraient observer était de savoir si le neutrino pouvait être sa propre antiparticule, c’est-à-dire une particule subatomique de même masse mais de charge électrique opposée. Le neutrino n’étant pas chargé, c’est la seule particule de l’univers qui pourrait être sa propre antiparticule. Comprendre cela permettrait de comprendre pourquoi le neutrino a une masse, une information qui aurait un impact considérable sur la compréhension de la formation de l’univers.
Pour déterminer si le neutrino est sa propre antiparticule, les chercheurs ont dû observer un phénomène rare appelé désintégration double bêta sans neutrinol. Cependant, ce processus prend au moins 10^26 ans pour un seul atome, ce qui est beaucoup plus long que l’âge de l’univers. Ils ont donc choisi d’observer près de 10^26 atomes sur une période de six ans.
Pour observer cette désintégration incroyablement rare, les chercheurs avaient besoin d’un environnement parfait. Dans le centre de recherche souterrain de Sanford, dans les Black Hills du Dakota du Sud, situé à un kilomètre sous terre, ils ont construit l’un des environnements les plus propres et les plus silencieux de la planète. Des détecteurs extrêmement sensibles ont été fabriqués à partir de germanium de haute pureté et ont été placés dans un bouclier de plomb de 50 tonnes et entourés de matériaux d’une propreté sans précédent. Même le cuivre utilisé a été cultivé sous terre dans leur laboratoire avec des niveaux d’impureté si faibles qu’ils ne pouvaient pas être mesurés.
Pettus et une équipe d’étudiants de l’IU étaient principalement chargés d’analyser les données de l’expérience. L’étudiant diplômé Nafis Fuad, l’étudiant de premier cycle Isaac Baker, l’étudiant de deuxième année Abby Kickbush et Jennifer James, une étudiante du programme Research Experiences for Undergraduates, ont participé au projet. Ils se sont attachés à comprendre la stabilité de l’expérience, à analyser les détails des formes d’ondes enregistrées et à caractériser les arrière-plans.
Walter Pettus. Crédit : Université de l’Indiana
« C’est comme chercher une petite aiguille dans une très, très, très grosse botte de foin – il faut se débarrasser avec soin de tous les foins possibles, et on ne sait même pas s’il y a vraiment une aiguille là-dedans », a déclaré M. Fuad. « C’est très excitant de participer à cette recherche.
Bien que les chercheurs n’aient finalement pas observé la désintégration qu’ils espéraient, ils ont découvert que l’échelle de désintégration du neutrino est plus longue que la limite qu’ils lui avaient imposée, ce qu’ils testeront plus en détail au cours de la prochaine phase de l’expérience. En outre, ils ont enregistré d’autres résultats scientifiques – allant de la matière noire à la mécanique quantique – qui permettent de mieux comprendre l’univers.
Grâce à ce projet, les chercheurs ont prouvé que les techniques qu’ils ont utilisées pouvaient être employées à plus grande échelle dans le cadre d’une recherche qui pourrait changer la donne et contribuer à expliquer l’existence de la matière dans l’univers.
« Nous n’avons pas vu la désintégration que nous recherchions, mais nous avons placé la barre plus haut en ce qui concerne la physique que nous recherchons », a déclaré M. Pettus. « Fidèle à son nom, le démonstrateur a fait progresser des technologies essentielles que nous exploitons déjà pour la prochaine phase de l’expérience en Italie. Nous n’avons peut-être pas encore brisé notre image de la physique, mais nous avons certainement repoussé les horizons, et je suis très enthousiaste quant à ce que nous avons accompli.
La prochaine phase du projet, appelée LEGEND-200, a déjà commencé à recueillir des données en Italie et devrait se dérouler sur les cinq prochaines années. Les chercheurs ont pour objectif d’observer la désintégration à un niveau de sensibilité supérieur à celui du démonstrateur Majorana. Par ailleurs, grâce au soutien du ministère américain de l’énergie, l’équipe est déjà en train de concevoir l’expérience qui lui succédera, LEGEND-1000.
Pettus est très enthousiaste quant à l’avenir de ce travail et espère impliquer davantage d’étudiants dans le projet, tant pour l’analyse des données que pour le développement du matériel pour LEGEND-1000.
« Si nous découvrons que le neutrino est sa propre antiparticule, il y aura toujours un sol sous nos pieds et des étoiles dans le ciel, et notre compréhension de la physique ne change pas la réalité des lois physiques qui ont toujours gouverné et continuent de gouverner notre univers », a déclaré M. Pettus. « Mais savoir ce qu’il y a là-dessous au niveau le plus fondamental et comment l’univers fonctionne nous permet de vivre dans un monde plus riche et plus beau – ou peut-être simplement plus étrange – et cette quête est fondamentalement humaine.
Référence : « Final Result of the Majorana Demonstrator’s Search for Neutrinoless Double-β Decay in 76Ge » par I. J. Arnquist et al. (Majorana Collaboration), 10 février 2023, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.062501
Le démonstrateur Majorana a été géré par le laboratoire national d’Oak Ridge pour le bureau de physique nucléaire du ministère américain de l’énergie, avec le soutien de la National Science Foundation.