L’expérience SuperNEMO ouvre grand les yeux sur la double désintégration Béta

Top départ pour SuperNEMO. Depuis le Laboratoire Souterrain de Modane, sous 1700m de roches, cette expérience internationale coordonnée par l’IN2P3, part à la recherche d’un phénomène théorisé depuis les années 60 et connu sous le nom de « double désintégration bêta sans émission de neutrinos ».  Derrière cette expression alambiquée se cache un phénomène physique dont la mise en évidence pourrait bouleverser le Modèle Standard de la physique des particules, mais qui requiert toutefois quelques explications. 

Prenons les choses dans l’ordre : la désintégration bêta, tout d’abord, est un type de désintégration radioactive par laquelle un neutron dans un noyau atomique se convertit en proton en émettant une particule bêta (un électron ou son antiparticule, le positron) ainsi qu’un neutrino ou un antineutrino. Parfois, deux désintégrations bêta surviennent simultanément dans le même noyau : on parle alors de double désintégration bêta. Or, si le neutrino était identique à son antiparticule, ce que suggèrent certains modèles de physique, les deux désintégrations bêta simultanées devraient dans certains cas aboutir à une double désintégration bêta sans émission de neutrinos (ββ0ν). Le processus attendu est le suivant : une des désintégrations émettrait un électron et un anti-neutrino qui, s’il est effectivement équivalent à un neutrino, pourrait être absorbé lors de l'autre désintégration, donnant lieu à l'émission d'un second électron sans anti-neutrino associé. Pour démontrer que le neutrino est identique à son antiparticule, une voie consiste donc à observer les produits de multiples doubles désintégrations bêta en espérant ne pas y trouver de neutrinos – c’est à cela que s’emploie SuperNEMO. 

Les conséquences d’une observation de la ββ0ν seraient majeures : établir une équivalence entre le neutrino et son antiparticule éclairerait les scientifiques sur des mystères persistants de la physique des particules telle que l’asymétrie observée entre matière et antimatière dans l’Univers. Cette équivalence constituerait une première piste vers de la nouvelle physique, au-delà des modèles existants qui, malgré leur robustesse, ne suffisent pas à décrire l’ensemble des phénomènes physiques observés dans l’Univers. Par conséquent, des générations d’expériences se sont succédées à travers le monde pour débusquer ce phénomène. Mais de la collaboration russo-allemande « Heidelberg-Moscou » dans les années 90 à l’expérience américaine EXO, en passant par la japonaise KAMLAND ou les expériences menées en Italie CUORE et LEGEND, toujours en activité, aucune expérience n’est parvenue à ce jour à mettre en évidence la ββ0ν. Pas non plus les expériences NEMO, qui ont occupé le LSM par intermittence depuis la naissance de NEMO1 en 1988 jusqu’au dernier souffle de NEMO3 en 2011, et dont SuperNEMO est le successeur. Pour enfin mettre en évidence la ββ0ν, SuperNEMO mise sur une formule prometteuse : allier une mesure précise de l’énergie des particules issues des doubles désintégrations bêta (calorimétrie) à un relevé de la trajectoire de ces particules dans le détecteur (trajectographie). 

En effet, les neutrinos étant notoirement insaisissables, SuperNEMO se concentre sur la détection des particules bêta, soit le duo d’électrons émis lors de doubles désintégrations bêta dans des isotopes de sélénium 82 servant de source radioactive. « Nous cherchons à mesurer un léger surplus d’énergie dans ces particules, qui serait la signature de la ββ0ν. Si les neutrinos sont vraiment identiques à leur antiparticule et que dans certains cas ils s’avèrent absents de la désintégration, comme le prédisent les modèles, leur énergie sera en effet transférée aux particules bêta, qui emporteront alors toute l’énergie de la réaction », explique Emmanuel Chauveau, chercheur au LP2I Bordeaux et coordinateur de la physique de SuperNEMO. 

Pour déceler cet excès d’énergie, SuperNEMO a recours à un calorimètre de dernière génération. Ce dernier prend la forme de deux vastes murs, de part et d’autre de la source de sélénium 82, composées de 712 blocs de scintillateurs plastique de 25 cm², chacun adjoint d’un photomultiplicateur. Les blocs scintillants ont cette faculté d’émettre de la lumière lorsqu’ils absorbent des particules chargées. Lumière qui va varier en fonction de l’énergie en jeu. L’étude de cette lumière avec des photomultiplicateurs va donc permettre de remonter à l’énergie de la particule incidente avec une grande précision. Depuis NEMO3, chaque paramètre du calorimètre a été optimisé, en collaboration avec les partenaires industriels, afin d’augmenter la résolution énergétique (la précision avec laquelle l’énergie des particules est mesurée) d’un facteur 2.

Mais la spécificité de SuperNEMO, par rapport aux autres expériences du domaine, est d’être parvenu à intercaler un trajectographe entre la source de sélénium et le calorimètre. Cet instrument est constitué d’un volume de gaz d’hélium traversé par 14970 fils soumis à des hautes tensions électriques. Ainsi, lorsqu’elles vont franchir cette étape, les particules vont littéralement tracer un sillon d’atomes d’hélium ionisés et d'électrons sur leur passage. Ces derniers vont ensuite être absorbés localement par les fils électrisés, révélant ainsi le point de passage. Il suffit alors de combiner les signaux de plusieurs fils pour reconstituer une trajectoire. Cette donnée complète les relevés d’énergie du calorimètre en permettant de caractériser plus précisément la nature des particules atteignant le calorimètre. Une donnée essentielle pour identifier sans ambiguïté les deux électrons des désintégrations double bêta et rejeter les rayonnements parasites provenant des traces de radioactivité naturelle présentes dans les matériaux du détecteur. Les autres sources de bruit de fond issues du cosmos et de la roche environnante sont supprimées par les quatre niveaux de blindage de l’expérience : 1700 mètres de roche, 30 tonnes de polyéthylène pour stopper les neutrons, un blindage en fer pur de 280 tonnes contre les rayonnements gamma et une enceinte étanche à l'air ambiant pour bloquer le radon.

« De nombreuses expériences dans le monde ont cherché et cherchent toujours la ββ0ν. Nous contribuons à cet effort en apportant quelque chose de novateur. Grâce à l’ensemble de nos mises à jour, nous augmentons la sensibilité globale de l’expérience d’un facteur 10 vis-à-vis de NEMO3. Nous sommes dès lors bien positionnés pour identifier et étudier la signature caractéristique d’une ββ0ν, si cette dernière existe. C’est donc avec confiance que nous nous lançons dans cette aventure », sourit Emmanuel Chauveau. Une aventure qui pourrait durer, car si de premiers signes de la ββ0ν devaient apparaître sur les écrans des laboratoires CNRS Nucléaire & Particules avec les données collectées par SuperNEMO ou dans les données des autres expériences ailleurs dans le monde telles que CUPID et LEGEND (Italie) ou KamLAND-Zen (Japon), l’expérience pourrait être déployée à grande échelle pour investiguer le phénomène en profondeur. Et quand bien même les physiciens et physiciennes reviendraient bredouille de leur chasse, ils n’auraient pas tout perdu. SuperNEMO est en effet la seule expérience au monde capable de mesurer pour chaque double désintégration Beta avec émission de neutrinos, l’angle d’émission des deux électrons émis ainsi que leur énergie individuelle. Des données uniques et précieuses attendues de pied ferme par les théoriciens et théoriciennes du noyau atomique pour consolider leurs modèles.