CROSS se met au froid pour sonder la nature profonde du neutrino
Dans le laboratoire souterrain de Canfranc, au cœur des Pyrénées, l’expérience CROSS vient d’entrer en phase de prise de données. Refroidis à quelques millikelvins au-dessus du zéro absolu, ses détecteurs scrutent la double désintégration bêta sans émission de neutrino, un phénomène hypothétique dont l’observation bouleverserait notre compréhension du neutrino et de l’origine de la matière dans l’Univers. La petite collaboration pilotée par un groupe d’IJCLab espère placer les meilleures limites sur la détection de ce phénomène pour l’isotope utilisé, le molybdène 100, mais aussi ouvrir la voie à CUPID, expérience à grande échelle qui prendra le relai de CUORE, une expérience cryogénique au Gran Sasso, en Italie.
Depuis la fin de l’automne, l’expérience CROSS (Cryogenic Rare-event Observatory with Surface Sensitivity) a officiellement démarré sa phase de prise de données. Installé au Laboratorio Subterráneo de Canfranc, en Espagne, ce démonstrateur expérimental piloté par une équipe d’IJCLab avec une collaboration importante de l’Irfu (CEA), vise à explorer l’un des processus nucléaires les plus rares jamais envisagés : la double désintégration bêta sans émission de neutrino.
Jamais observée à ce jour, cette désintégration hypothétique constitue une porte d’entrée privilégiée vers une physique au-delà du Modèle standard. « Sa découverte montrerait que le neutrino est sa propre antiparticule, une particule dite de Majorana, explique Andrea Giuliani, chercheur à IJCLab et coordinateur scientifique de CROSS. Une telle propriété aurait des conséquences majeures, pour la physique des particules mais aussi pour la cosmologie. Elle nous éclairerait sur l’origine de la masse des neutrinos et sur l’asymétrie entre matière et antimatière dans l’Univers ».
Dans la version « standard » de la double désintégration bêta, déjà observée pour plusieurs noyaux, deux neutrons se transforment simultanément en deux protons en émettant deux électrons et deux neutrinos. Ce processus est extrêmement rare – avec des temps de demi-vie supérieures à 10¹⁸ ans – mais parfaitement conforme aux lois connues de la physique. Cependant, certains modèles théoriques prédisent aussi une désintégration sans émission de neutrinos, dans laquelle toute l’énergie de la désintégration est transférée aux deux électrons. L’observation d’une telle désintégration nous dévoilerait que le neutrino et l’antineutrino ne font qu’un, une hypothèse formulée dès 1937 par le physicien Ettore Majorana.
CROSS améliorera nettement la sensibilité sur le temps de demi-vie de la double desintégration beta sans émission de neutrinos dans un isotope très prometteur, le molybdène-100. Lorsque deux neutrons de ce noyau se transforment en protons, métamorphosant le noyau en ruthénium-100, la différence de masse entre l’état initial et l’état final se traduit par une énergie de près de 3 MeV, entièrement portée par les électrons dans le cas d’une désintégration sans neutrino. « Cela se manifesterait par un pic très net dans le spectre d’énergie des électrons, contrairement à la désintégration avec neutrinos, qui produit un spectre continu », souligne Andrea Giuliani. L’enjeu est donc de mesurer l’énergie des électrons avec une précision extrême, tout en éliminant les innombrables sources de bruit de fond.
Pour y parvenir, CROSS a développé un principe expérimental complexe. En premier lieu, comme dans la plupart des expériences de détection de la double désintégration béta sans émission de neutrinos, le détecteur est à la fois la source et le capteur de l’événement recherché. L’expérience repose sur 36 cristaux de molybdate de lithium, dont 32 sont enrichis à 97 % en molybdène-100, chacun pesant environ 300 grammes. Ces cristaux, refroidis à environ 20 millikelvins, enregistrent la minuscule élévation de température provoquée par le dépôt d’énergie d’une désintégration nucléaire. À ces températures extrêmes, une énergie de l’ordre du MeV suffit à produire un signal thermique mesurable par des thermomètres en germanium dopé collés sur chaque cristal.
Un atout supplémentaire de CROSS, qui reprend une idée testée avec l’expérience CUPID-Mo il y a cinq ans, tient à la combinaison de cette mesure thermique avec une détection de la lumière. Les cristaux de molybdate de lithium sont également scintillants : une très faible fraction de l’énergie déposée est émise sous forme de photons. Face à chaque cristal, un détecteur de lumière indépendant mesure cette émission. Le rapport entre la chaleur et la lumière permet d’identifier la nature de la particule responsable de l’événement et d’éliminer efficacement les interactions dues aux particules alpha, principale source de bruit de fond dans ce type d’expérience.
Mais l’originalité de CROSS réside dans une amélioration technologique majeure des détecteurs de lumière, également adoptée par la collaboration CUPID après les développements menés à IJCLab : pour amplifier encore le signal lumineux extrêmement faible, CROSS exploite un dispositif innovant basé sur l’effet Neganov-Trofimov-Luke. En appliquant un champ électrique dans les détecteurs de lumière en germanium, l’énergie déposée par les photons est convertie en un signal thermique amplifié, améliorant considérablement la capacité à distinguer les événements rares des empilements accidentels. Cette discrimination est essentielle car le signal en énergie émis par deux double désintégrations bêta ordinaires simultanées ressemblerait à s’y méprendre au signal attendu pour la double désintégration bêta sans émission de neutrinos.
L’ensemble des détecteurs est organisé en trois tours, installées dans un cryostat entouré de blindages et complété par un veto à muons cosmiques. Ce dernier appareil, qui surplombe le dispositif, capte pour les filtrer lors de l’analyse les quelques muons cosmiques qui pourraient enrichir le bruit de fond et brouiller le signal. C’est pour se protéger de ces particules émises dans l’atmosphère que les expériences à haute sensibilité comme CROSS se réfugient dans les tréfonds des montagnes. Mais la profondeur modeste du site de Canfranc par rapport à d’autres laboratoires souterrains européens tels que celui de Modane ne permet pas d’arrêter toutes les particules dans leur course à travers la montagne, rendant l’emploi d’un véto à muons nécessaire.
Après la fermeture du cryostat à l’été 2025 et plusieurs mois de mise au froid et d’optimisation, la prise de données a débuté à la fin de l’année 2025. Bien que de taille modeste comparée aux grandes expériences internationales, CROSS vise une sensibilité de l’ordre de 10²⁵ ans sur le temps de demi-vie de la double désintégration bêta sans neutrinos du molybdène-100 après un an de fonctionnement, c’est-à-dire qu’elle pourra tester l’existence de ce processus jusqu’à des niveaux de rareté correspondant à une désintégration par noyau sur 10²⁵ ans. « Il est peu probable que nous observions directement le phénomène, à moins que le molybdène-100 se révèle extraordinairement favorable à ce type d’interaction. Dans tous les cas, CROSS peut fournir la meilleure limite mondiale sur cet isotope », précise Andrea Giuliani. Surtout, l’expérience joue un rôle stratégique en tant que démonstrateur technologique pour CUPID, le futur grand détecteur cryogénique de nouvelle génération, appelé à prendre le relais de l’expérience italienne CUORE, qui vise le même objectif scientifique, au cours de la prochaine décennie, sur de plus grandes échelles et en s’appuyant sur une plus grande variété d’isotopes.
En attendant CUPID, l’équipe de CROSS fournira les premières analyses de performance de ses détecteurs dans les prochaines semaines, tandis que les premiers résultats de physique devraient être dévoilés courant 2026, ouvrant une nouvelle étape dans la quête de la nature intime du neutrino.