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Dossiers de presse

 

Paris, le 7 juin 2004

 

Conférence internationale Neutrino 2004

Une particule longtemps énigmatique en passe de livrer ses secrets

 Le communiqué de presse

 


 

Le neutrino de Majorana à la fois matière et antimatière ?…

Le neutrino est la particule élémentaire de la matière la plus mystérieuse. Trois propriétés fondamentales distinguent le neutrino des autres particules : sa masse est très faible, il interagit très faiblement avec la matière, enfin, contrairement à toutes les autres particules élémentaires, le neutrino n’a pas de charge électrique. Cette dernière propriété qui peut sembler anodine, apparut pourtant comme fondamentale à un jeune physicien sicilien, Ettore Majorana. Il montra en 1936 que le neutrino pouvait être identique à son antiparticule ! Alors comment savoir si le neutrino est "de Majorana", c’est-à-dire identique à son antiparticule ? Comment le savoir alors que détecter un neutrino et chercher à le "peser" est déjà incroyablement difficile ? C’est là le but de la recherche de l’expérience Nemo : dévoiler la nature du neutrino de Majorana grâce à l’étude de la double désintégration bêta.

 

Étudier la double désintégration bêta pour rechercher le neutrino de Majorana

La double désintégration bêta est la seule méthode expérimentale actuellement connue pour savoir si le neutrino est de Majorana. Ce type de radioactivité peut se produire pour seulement quelques noyaux comme le molybdène-100 ou le sélénium-82. Le processus standard, noté "2β2ν", indépendant de la nature du neutrino, correspond à l’émission simultanée de deux électrons et deux neutrinos. C’est le rayonnement le plus rare jamais observé dans la nature. La durée de vie du molybdène-100 (c'est-à-dire le temps nécessaire pour que sur 1 kg de molybdène-100, la moitié se soit désintégrée) est de 10 milliards de milliards d’années (1019 ans) ! À titre de comparaison, on estime que l’âge de l’Univers est de 15 milliards d’années "seulement"… Expérimentalement seuls les électrons sont détectés, le neutrino interagissant très faiblement. Les deux électrons emportent une partie variable de l’énergie, tandis que les deux neutrinos non détectés emportent l’autre partie. L’énergie des électrons détectés peut donc prendre de nombreuses valeurs possibles.
En revanche, si le neutrino est de Majorana, donc identique à son antiparticule, alors un nouveau processus encore plus rare pourrait apparaître : la double désintégration bêta sans émission de neutrino, notée "ββ0ν". Le neutrino de Majorana ne sortirait jamais du noyau car il serait émis puis immédiatement réabsorbé comme le lapin qui sort du chapeau du magicien et disparaît à nouveau !… Dans ce processus, puisque aucun neutrino n’est émis, les deux électrons détectés prennent la totalité de l’énergie disponible qui est constante. On obtient alors une raie d’énergie précise dont la valeur théorique est connue. Ainsi la découverte d’une telle raie d’énergie serait la découverte que le neutrino est de Majorana, c’est-à-dire identique à son anti-matière. Le défi de l’expérience Nemo est de chercher à détecter un tel signal d’une durée de vie pouvant atteindre 1025 années soit 1 million de fois plus rare encore que la double désintégration bêta standard !

 

Le détecteur Nemo-3 à la recherche du neutrino de Majorana

Le détecteur Nemo-3 est un grand détecteur cylindrique de 3 m de haut et 6 m de diamètre, constitué de 20 modules. Au centre de chaque module sont tendues verticalement des "voiles" de feuilles métalliques ultra minces (60 μm) constituées d’un métal propice à la double désintégration bêta, essentiellement du molybdène. Le détecteur peut contenir 10 kg de ces sources correspondant à une voilure de 20 m2. De part et d’autre de la feuille source, 40 000 fils métalliques sont tendus verticalement formant une grande chambre à fils de 30 m3 remplie d’hélium. Lorsque les deux électrons émis par le molybdène traversent cette forêt de fils, ils laissent un signal électrique sur les fils au voisinage de leur trajectoire. Cette chambre à fils permet ainsi de détecter et mesurer la trace des électrons. Elle est entourée de blocs de plastiques scintillants, dispositif qui permet la mesure de l’énergie des électrons.

 

Un défi scientifique et technologique : la physique ultra bas bruit de fond

Le défi de l’expérience Nemo est de chercher à détecter un signal infiniment rare d’une durée de vie pouvant atteindre 1025 années. On doit donc se protéger de toute source de rayonnement parasite, appelé bruit de fond. L’objectif est d’atteindre un niveau de bruit de fond d’au plus une désintégration par an dans la fenêtre en énergie où le signal est recherché, niveau jamais atteint jusque là pour une expérience d’une telle taille.
La première source de bruit de fond est le rayonnement cosmique. Pour s’en protéger, le détecteur Nemo-3 a dû être installé dans le Laboratoire souterrain de Modane (LSM), sous près de 2 000 m de roche, dont l’entrée se situe au milieu du tunnel routier du Fréjus de 13 km de long reliant Modane à Bardonecchia (Italie). Le détecteur est ensuite recouvert de blindage de fer, d’eau et de bois (au total plus de 200 tonnes de blindage) pour se protéger des neutrons et gammas produits par la roche du laboratoire. Reste alors le principal ennemi de Nemo : la radioactivité naturelle provenant de la désintégration de l’uranium-238 et du thorium-232 présents partout dans la nature. Le détecteur doit donc être construit avec des matériaux de très bas niveau de radioactivité. À commencer par les sources de molybdène qui doivent être ultra pures puisque c’est le cœur de l’expérience ! Cela a nécessité des recherches et développements très pointus en collaboration avec la Russie et les États-Unis. Par ailleurs tous les matériaux du détecteur, des structures mécaniques jusqu’aux vis, colles et même câbles électroniques, ont été soigneusement sélectionnés et des échantillons ont été systématiquement mesurés sur des détecteurs de très grande sensibilité à Modane. Finalement l’activité en uranium-238 et en thorium-232 des 200 tonnes du détecteur Nemo 3 est inférieure à l’activité du corps humain (due au potassium) !

 

Nemo observe les premières données après 15 ans de recherche et développement

Nemo est une collaboration internationale d’environ 40 physiciens (France, Russie, USA, Japon, Angleterre, Tchéquie). Le projet a débuté en 1989. Deux prototypes Nemo-1 et Nemo-2 ont dû être développés au préalable. La construction du détecteur Nemo-3 a débuté en 1995 et son installation au Laboratoire souterrain de Modane a commencé en 2000. Les premières prises de données ont démarré en février 2003. Depuis ce jour, le détecteur fonctionne jour et nuit et collecte les événements de façon continue. Environ un an de données a pu être enregistré. Mais les premiers résultats, présentés à la conférence Neutrino 2004, montrent un important bruit de fond dû au radon, gaz radioactif émis par la roche du laboratoire qui s’infiltre en quantité infiniment faible dans le détecteur. Pour le diminuer d’un facteur 10, une tente étanche, qui recouvre le détecteur, a été construite. Le but est d’y injecter de l’air sans radon et ainsi supprimer le bruit de fond. L’objectif est de prendre des données pendant au moins 5 ans.

 

À quand une découverte ?

Plus le neutrino est léger, plus le processus de désintégration ββ0ν sera rare ! Malheureusement on ne connaît pas la masse du neutrino. On sait seulement qu’elle est inférieure à 2 eV (la masse de l’électron est de 511 000 eV). Après 5 ans de prises de données, le détecteur Nemo-3 devrait découvrir un signal si le neutrino de Majorana est plus lourd que 0,2 à 0,5 eV. Si aucun signal n’est observé cela signifie soit que le neutrino n’est pas de Majorana, soit qu’il est encore plus léger !

 

Le site : Laboratoire souterrain de Modane, un laboratoire pluridisciplinaire

Le Laboratoire souterrain de Modane accueille d’autres expériences qui, comme Nemo, cherchent à détecter un signal très rare. L’expérience Edelweiss cherche de nouvelles particules massives interagissant très faiblement et qui pourraient être à l’origine de la masse manquante de l’Univers. Plusieurs détecteurs germanium ultra bas bruit de fond sont également installés dans ce laboratoire. Ils sont utilisés pour mesurer des quantités très faibles de radioactivité naturelle dans des échantillons d’origines très diverses. Ces résultats sont utilisés aussi bien pour la datation en paléontologie, que pour des études océanographiques ou récemment pour la datation de vins de Bordeaux.

 

Les autres expériences et les projets futurs

Il y a principalement deux autres expériences concurrentes en cours. Il s’avère que ces deux expériences sont également européennes et sont situées au Laboratoire souterrain du Gran-Sasso (Italie). L’expérience d’Heidelberg-Moscou, qui utilise des détecteurs semi-conducteurs de 10 kg de germanium-76 enrichi, s’est terminée en 2003 après 13 ans de fonctionnement et a actuellement la meilleure sensibilité. Cette expérience aurait détecté un signal très faible laissant supposer l’existence du neutrino de Majorana. Mais ce résultat est très controversé. Un projet sur 10 ans avec au moins 100 kg de germanium est en cours d’étude. Un projet similaire existe aussi aux USA. La seconde expérience, Cuoriccino qui utilise 10 kg de cristal de tellure naturel ultra froid a démarré récemment mais le niveau de bruit de fond est encore trop élevé. Une extrapolation (Cuore) avec plusieurs centaines de kg de tellure est cependant envisagée. Enfin la collaboration Nemo commence à étudier la possibilité d’un détecteur Super-Nemo pouvant contenir plus de 100 kg de sélénium-82 pour augmenter la sensibilité.

 

Pour en savoir plus

Contact chercheur

  • Xavier Sarazin, Tél : 01 64 46 85 87
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