La demi-vie d’un processus est le temps après lequel la moitié des noyaux radioactifs présents dans un échantillon se sont désintégrés. Grâce au détecteur de matière noire XENON1T, une cuve de 1 300 kg de xénon liquide super pur protégée des rayons cosmiques dans un cryostat immergé à 1,5 km sous les montagnes du Gran Sasso, en Italie, les physiciens de la collaboration XENON ont pu observer pour la première fois la désintégration de noyaux atomiques de xénon-124. La demi-vie mesurée pour le xénon-124 est environ un trillion de fois plus longue que l’âge de l’Univers. Cela fait de la désintégration radioactive observée – la double capture d’électrons du xénon-124 – le processus le plus rare jamais observé dans un détecteur.
Un réseau de photodétecteurs du détecteur XENON1T vu à travers l’autre. Crédit photo : Collaboration XENON.
Tous les atomes ne sont pas stables. En fonction de leur composition, certains se stabilisent en libérant des particules subatomiques et en se transformant en un atome d’un élément différent – un processus appelé désintégration radioactive.
Nous sommes beaucoup plus familiers avec les éléments radioactifs comme l’uranium et le plutonium – ce sont les adolescents sauvages des éléments radioactifs, qui libèrent constamment des particules. Le radon 222, par exemple, a une demi-vie de quatre jours seulement.
Certains éléments, cependant, se désintègrent très lentement. Le xénon-124 est l’un d’entre eux, bien que les physiciens aient estimé sa demi-vie à 160 billions d’années lorsqu’il se désintègre en tellure-124. On suppose que l’Univers n’a que 13 à 14 milliards d’années. La nouvelle découverte place la demi-vie du xénon-124 plus près de 18 sextillions d’années.
“La demi-vie ne signifie pas que chaque atome met autant de temps à se désintégrer. Le nombre indique simplement combien de temps, en moyenne, il faudra à la masse d’un matériau radioactif pour se réduire de moitié”, a déclaré le Dr Christopher Tunnell, physicien à l’université Rice et membre de la collaboration XENON.
Pourtant, les chances de voir un tel incident pour le xénon-124 sont infimes, à moins de rassembler suffisamment d’atomes de xénon et de les placer dans “l’endroit le plus radio-pur de la Terre”. Le point essentiel est que nous disposons d’un très grand nombre d’atomes et que si l’un d’entre eux se désintègre, nous le verrons. Nous avons une tonne (littérale) de matière.”
“Nous avons réellement vu cette désintégration se produire. C’est le processus le plus long et le plus lent qui ait jamais été observé directement, et notre détecteur de matière noire était suffisamment sensible pour le mesurer”, a déclaré le Dr Ethan Brown, physicien à l’Institut polytechnique de Rensselaer et membre de la collaboration XENON.
“C’est un miracle d’avoir assisté à ce processus, et cela indique que notre détecteur peut mesurer la chose la plus rare jamais enregistrée.”
Schéma de la double capture d’électrons par deux neutrinos : dans ce processus, le noyau capture deux électrons de la coquille atomique (noir), généralement de la coquille K, et convertit simultanément deux protons (rouge) en neutrons (blanc) ; deux neutrinos (noir) sont émis dans le processus nucléaire et emportent la plupart de l’énergie de désintégration tandis que la coquille atomique reste dans un état excité avec deux trous dans la coquille K ; une cascade de rayons X (rouge, ‘X’) et d’électrons Auger (rouge, ‘e’) est émise pendant la relaxation atomique, lorsque la coquille K est remplie à partir des coquilles L, M et N de plus haute énergie ; à leur tour, des lacunes sont créées dans les coquilles qui se remplissent et sont remplies d’électrons provenant des coquilles de plus haute énergie (flèches). Crédit image : Collaboration XENON.
La preuve de la désintégration du xénon a été produite par la conversion d’un proton à l’intérieur du noyau d’un atome de xénon en un neutron. Dans la plupart des éléments sujets à la désintégration, cela se produit lorsqu’un électron est attiré dans le noyau. Mais deux protons dans un atome de xénon doivent absorber simultanément deux électrons pour se convertir en deux neutrons, un événement appelé double capture d’électrons.
“La capture d’électrons doubles ne se produit que lorsque deux des électrons se trouvent juste à côté du noyau.le noyau au bon moment, ce qui est une chose rare multipliée par une autre chose rare, ce qui la rend ultra-rare”, a déclaré le Dr Brown.
Lorsque l’ultra rare s’est produit, et qu’une double capture d’électrons s’est produite à l’intérieur du détecteur, les instruments ont capté le signal des électrons de l’atome qui se réarrangent pour remplacer les deux qui ont été absorbés par le noyau.
“Les électrons en double capture sont retirés de la coquille la plus interne autour du noyau, et cela crée de la place dans cette coquille. Les électrons restants s’effondrent vers l’état fondamental, et nous avons vu ce processus d’effondrement dans notre détecteur”, a déclaré le Dr Brown.
“Les nouveaux résultats montrent à quel point le détecteur XENON1T peut détecter des processus très rares et rejeter les signaux de fond”, a déclaré le professeur Laura Baudis, physicienne spécialiste des astroparticules à l’Université de Zurich et membre de la collaboration XENON.
“Alors que deux neutrinos sont émis dans le processus de double capture d’électrons, nous pouvons maintenant également rechercher ce que l’on appelle la double capture d’électrons sans neutrinos, qui pourrait faire la lumière sur des questions importantes concernant la nature des neutrinos.”
Les résultats ont été publiés dans l’édition du 25 avril de la revue. Nature.
