Concept d’artiste abstrait de particules neutrinos.
L’équipe CUORE pose de nouvelles limites au comportement bizarre des neutrinos.
Les physiciens se rapprochent de la véritable nature du neutrino – et pourraient être plus près de répondre à une question fondamentale sur notre propre existence.
Dans un laboratoire situé sous une montagne, des physiciens utilisent des cristaux bien plus froids que l’air gelé pour étudier des particules fantômes, dans l’espoir d’apprendre des secrets du début de l’univers. Les chercheurs de l’Observatoire souterrain cryogénique d’événements rares (CUORE) ont annoncé cette semaine qu’ils avaient posé certaines des limites les plus strictes à ce jour sur l’étrange possibilité que le neutrino soit sa propre antiparticule. Les neutrinos sont des particules très inhabituelles, si éthérées et si omniprésentes qu’elles traversent régulièrement notre corps sans que nous nous en apercevions. CUORE a passé les trois dernières années à attendre patiemment la preuve d’un processus de désintégration nucléaire particulier, uniquement possible si les neutrinos et les antineutrinos sont la même particule. Les nouvelles données de CUORE montrent que cette désintégration n’a pas lieu avant des milliards de milliards d’années, si elle a lieu. Les limites imposées par CUORE au comportement de ces minuscules fantômes constituent un élément crucial dans la recherche de la prochaine percée en physique nucléaire et des particules – et dans la recherche de nos propres origines.
Les scientifiques de CUORE, le Dr Paolo Gorla (LNGS, à gauche) et le Dr Lucia Canonica (MIT, à droite), inspectent les systèmes cryogéniques de CUORE. Crédit : Yury Suvorov et la collaboration CUORE.
” En fin de compte, nous essayons de comprendre la création de la matière “, a déclaré Carlo Bucci, chercheur aux Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) en Italie et porte-parole de CUORE. “Nous cherchons un processus qui viole une symétrie fondamentale de la nature”, a ajouté Roger Huang, chercheur postdoctoral au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l’énergie et l’un des principaux auteurs de la nouvelle étude.
CUORE – qui signifie “cœur” en italien – est l’une des expériences sur les neutrinos les plus sensibles au monde. Les nouveaux résultats de CUORE sont basés sur un ensemble de données dix fois plus important que toute autre recherche à haute résolution, recueillies au cours des trois dernières années. CUORE est exploité par une collaboration internationale de recherche, dirigée par l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) en Italie et le Berkeley Lab aux États-Unis. Le détecteur CUORE lui-même est situé sous près d’un kilomètre de roche solide au LNGS, une installation de l’INFN. Les physiciens nucléaires soutenus par le département américain de l’énergie jouent un rôle scientifique et technique de premier plan dans cette expérience. Les nouveaux résultats de CUORE ont été publiés le 6 avril 2022 dans la revue Nature.
Particules particulières
Les neutrinos sont partout – il y a des trillions de neutrinos qui passent par votre seule ongle de pouce au moment où vous lisez cette phrase. Ils sont invisibles aux deux forces les plus puissantes de l’univers, l’électromagnétisme et la force nucléaire forte, ce qui leur permet de passer à travers vous, la Terre et presque tout le reste sans interagir. Malgré leur grand nombre, leur nature énigmatique les rend très difficiles à étudier et a laissé les physiciens perplexes depuis qu’ils ont été postulés pour la première fois, il y a plus de 90 ans. Jusqu’à la fin des années 1990, on ne savait même pas si les neutrinos avaient une masse quelconque.
L’une des nombreuses questions en suspens concernant les neutrinos est de savoir s’ils sont leurs propres antiparticules. Toutes les particules ont des antiparticules, leur propre contrepartie d’antimatière : les électrons ont des antiélectrons (positrons), les quarks ont des antiquarks, et les neutrons et les protons (qui constituent les noyaux des atomes) ont des antineutrons et des antiprotons. Mais contrairement à toutes ces particules, il est théoriquement possible que les neutrinos soient leurs propres antiparticules. De telles particules qui sont leurs propres antiparticules ont été postulées pour la première fois par le physicien italien Ettore Majorana en 1937, et sont connues sous le nom de fermions de Majorana.
Installation du détecteur CUORE dans le cryostat. Crédit : Yury Suvorov et la collaboration CUORE.
Si les neutrinos sont des fermions de Majorana, cela pourrait expliquer une question profonde à la base de notre propre existence : pourquoi il y a des neutrinos dans le monde ? tellement plus de matière que d’antimatière dans l’univers.. Les neutrinos et les électrons sont tous deux des leptons, une sorte de particule fondamentale. L’une des lois fondamentales de la nature semble être que le nombre de leptons est toujours conservé – si un processus crée un lepton, il doit également créer un antilepton pour l’équilibrer. De même, des particules telles que les protons et les neutrons sontconnus sous le nom de baryons, et le nombre de baryons semble également se conserver. Pourtant, si le nombre de baryons et de leptons était toujours conservé, il y aurait exactement autant de matière que d’antimatière dans l’univers – et dans l’univers primitif, la matière et l’antimatière se seraient rencontrées et annihilées, et nous n’existerions pas. Quelque chose doit violer la conservation exacte des baryons et des leptons. C’est alors qu’intervient le neutrino : si les neutrinos sont leurs propres antiparticules, le nombre de leptons n’a pas à être conservé et notre existence devient beaucoup moins mystérieuse.
“L’asymétrie matière-antimatière dans l’univers reste inexpliquée”, a déclaré Huang. “Si les neutrinos sont leurs propres antiparticules, cela pourrait aider à l’expliquer”.
Ce n’est pas non plus la seule question à laquelle pourrait répondre un neutrino de Majorana. L’extrême légèreté des neutrinos, environ un million de fois plus légers que l’électron, a longtemps laissé les physiciens des particules perplexes. Mais si les neutrinos sont leurs propres antiparticules, alors une solution existante connue sous le nom de “mécanisme de bascule” pourrait expliquer la légèreté des neutrinos d’une manière élégante et naturelle.
Un dispositif rare pour des désintégrations rares
Mais il est difficile de déterminer si les neutrinos sont leurs propres antiparticules, précisément parce qu’ils n’interagissent pas très souvent. Le meilleur outil dont disposent les physiciens pour rechercher les neutrinos de Majorana est un type hypothétique de désintégration radioactive appelée double désintégration bêta sans neutrinos. La désintégration bêta est une forme assez courante de désintégration dans certains atomes, transformant un neutron en atom’s nucleus into a proton, changing the chemical element of the atom and emitting an electron and an anti-neutrino in the process. Double beta decay is more rare: instead of one neutron turning into a proton, two of them do, emitting two electrons and two anti-neutrinos in the process. But if the neutrino is a Majorana fermion, then theoretically, that would allow a single “virtual” neutrino, acting as its own antiparticle, to take the place of both anti-neutrinos in double beta decay. Only the two electrons would make it out of the atomic nucleus. Neutrinoless double-beta decay has been theorized for decades, but it’s never been seen.
The CUORE experiment has gone to great lengths to catch tellurium atoms in the act of this decay. The experiment uses nearly a thousand highly pure crystals of tellurium oxide, collectively weighing over 700 kg. This much tellurium is necessary because on average, it takes billions of times longer than the current age of the universe for a single unstable atom of tellurium to undergo ordinary double beta decay. But there are trillions of trillions of atoms of tellurium in each one of the crystals CUORE uses, meaning that ordinary double beta decay happens fairly regularly in the detector, around a few times a day in each crystal. Neutrinoless double beta decay, if it happens at all, is even more rare, and thus the CUORE team must work hard to remove as many sources of background radiation as possible. To shield the detector from cosmic rays, the entire system is located underneath the mountain of Gran Sasso, the largest mountain on the Italian peninsula. Further shielding is provided by several tons of lead. But freshly mined lead is slightly radioactive due to contamination by uranium and other elements, with that radioactivity decreasing over time — so the lead used to surround the most sensitive part of CUORE is mostly lead recovered from a sunken ancient Roman ship, nearly 2000 years old.
Perhaps the most impressive piece of machinery used at CUORE is the cryostat, which keeps the detector cold. To detect neutrinoless double beta decay, the temperature of each crystal in the CUORE detector is carefully monitored with sensors capable of detecting a change in temperature as small as one ten-thousandth of a Celsius degree. Neutrinoless double beta decay has a specific energy signature and would raise the temperature of a single crystal by a well-defined and recognizable amount. But in order to maintain that sensitivity, the detector must be kept very cold — specifically, it’s kept around 10 mK, a hundredth of a degree above absolute zero. “This is the coldest cubic meter in the known universe,” said Laura Marini, a research fellow at Gran Sasso Science Institute and CUORE’s Run Coordinator. The resulting sensitivity of the detector is truly phenomenal. “When there were large earthquakes in Chile and New Zealand, we actually saw glimpses of it in our detector,” said Marini. “We can also see waves crashing on the seashore on the Adriatic Sea, 60 kilometers away. That signal gets bigger in the winter, when there are storms.”
A neutrino through the heart
Despite that phenomenal sensitivity, CUORE hasn’t yet seen evidence of neutrinoless double beta decay. Instead, CUORE has established that, on average, this decay happens in a single tellurium atom no more often than once every 22 trillion trillion years. “Neutrinoless double beta decay, if observed, will be the rarest process ever observed in nature, with a half-life more than a million billion times longer than the age of the universe,” said Danielle Speller, Assistant Professor at Johns Hopkins University and a member of the CUORE Physics Board. “CUORE may not be sensitive enough to detect this decay even if it does occur, but it’s important to check. Sometimes physics yields surprising results, and that’s when we learn the most.” Even if CUORE doesn’t find evidence of neutrinoless double-beta decay, it is paving the way for the next generation of experiments. CUORE’s successor, the CUORE Upgrade with Particle Identification (CUPID) is already in the works. CUPID will be over 10 times more sensitive than CUORE, potentially allowing it to glimpse evidence of a Majorana neutrino.
But regardless of anything else, CUORE is a scientific and technological triumph — not only for its new bounds on the rate of neutrinoless double beta decay, but also for its demonstration of its cryostat technology. “It’s the largest refrigerator of its kind in the world,” said Paolo Gorla, a staff scientist at LNGS and CUORE’s Technical Coordinator. “And it’s been kept at 10 mK continuously for about three years now.” Such technology has applications well beyond fundamental particle physics. Specifically, it may find use in quantum computing, where keeping large amounts of machinery cold enough and shielded from environmental radiation to manipulate on a quantum level is one of the major engineering challenges in the field.
Meanwhile, CUORE isn’t done yet. “We’ll be operating until 2024,” said Bucci. “I’m excited to see what we find.”
Reference: “Search for Majorana neutrinos exploiting millikelvin cryogenics with CUORE” by The CUORE Collaboration, 6 April 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04497-4
CUORE is supported by the U.S. Department of Energy, Italy’s National Institute of Nuclear Physics (Instituto Nazionale di Fisica Nucleare, or INFN), and the National Science Foundation (NSF). CUORE collaboration members include: INFN, University of Bologna, University of Genoa, University of Milano-Bicocca, and Sapienza University in Italy; California Polytechnic State University, San Luis Obispo; Berkeley Lab; Johns Hopkins University; Lawrence Livermore National Laboratory; Massachusetts Institute of Technology; University of California, Berkeley; University of California, Los Angeles; University of South Carolina; Virginia Polytechnic Institute and State University; and Yale University in the US; Saclay Nuclear Research Center (CEA) and the Irène Joliot-Curie Laboratory (CNRS/IN2P3, Paris Saclay University) in France; and Fudan University and Shanghai Jiao Tong University in China.
