La recherche des raisons de notre existence s'est transformée en une étude de la désintégration atomique étrange

Une radioactivité variée non observée précédemment peut expliquer pourquoi la matière existe - y compris les humains. Une équipe de physiciens lance une expérience pour rechercher un phénomène inhabituel

Lorsque l'univers s'est formé il y a environ 13,7 milliards d'années, selon les théories modernes, la matière et son étrange parent, l'antimatière, devaient apparaître en quantités égales lors du Big Bang. Les physiciens savent que lorsque ces deux entités entrent en contact, elles s'annihilent. Mais dans ce cas, il n'y aurait rien dans l'espace sauf des photons et des neutrinos. Et pourtant, nous existons. Les calculs montrent qu'il y avait un peu plus de matière que d'antimatière - mais pourquoi?

Une façon d'expliquer cette asymétrie est de rechercher la différence entre les deux types de matière, à l'exception d'une charge qui peut expliquer l'avantage de la matière ordinaire. En physique moderne, c'est une très grande question, car selon les théories modernes, ils devraient se comporter de la même manière.

Étrange neutrino

Dans l'étude, les physiciens tentent de réaliser une double désintégration bêta sans neutrinos . Habituellement, en désintégration bêta, le noyau instable d'un atome radioactif perd un neutron. Un neutron se transforme en proton, émettant un électron et une petite particule, un antineutrino électronique. Il existe également une situation de miroir dans laquelle un proton se transforme en neutron, émettant un positron et un neutrino électronique - le jumeau de l'antineutrino. La double désintégration bêta se produit lorsque deux électrons et deux antineutrinos sont émis: en fait, la désintégration bêta se produit deux fois. Les scientifiques construisent depuis longtemps des théories sur la version sans neutrinos de ce processus - les neutrinos s'y anéantissent avant de quitter l'atome. Dans ce cas, le neutrino se comporte comme sa propre antiparticule.

Les particules se comportant comme leurs propres antiparticules sont appelées fermions Majorana - en l'honneur du physicien italien Ettor Majorana, qui a fait une hypothèse à ce sujet en 1937.

Si les neutrinos et les antineutrinos se comportent différemment, cela peut aider à expliquer pourquoi, au moment de la formation de l'univers, toute la matière ne s'est pas annihilée.

La recherche de la décomposition

Mais un tel événement est difficile à détecter car il est entravé par un fort «bruit de fond», explique Bernhard Schwingenheuer, porte-parole du Germanium Sensor Array , du GERmanium Detector Array ou du GERDA. La cause du bruit est les rayons cosmiques.



L'installation GERDA, cachée dans un laboratoire souterrain en Italie, se compose de capteurs contenus dans une baignoire avec de l'argon liquide enrichi d'un isotope de germanium-76 modérément radioactif. Sa demi-vie est de 1,78 x 10 ²¹ (1,78 milliard de milliards d'années) - il faut tellement de temps à la moitié de ses atomes pour se transformer en sélénium. Cette fois est de plusieurs ordres de grandeur plus longue que l'existence de l'univers.

Habituellement, le germanium pendant sa désintégration lente émet deux électrons et deux antineutrinos électroniques, ce qui est la désintégration bêta double habituelle. Les physiciens ont voulu savoir si une telle désintégration se produit sans neutrinos.

Avec une demi-vie aussi longue, on pourrait penser qu'il serait trop long d'attendre un tel événement; mais la demi-vie est un phénomène probabiliste. C'est pourquoi l'étude utilise environ 38 kg de germanium mélangé à de l'argon liquide. Cela donne environ 4,5 x 10 ²⁵ atomes, ce qui signifie que plusieurs atomes doivent se désintégrer directement pendant l'observation.

L'équipe du GERDA a collecté des données pendant sept mois, de décembre 2015 à juin 2016. Ils n'ont pas détecté de carie, mais ont pu fixer une limite inférieure pour sa fréquence d'occurrence: sa demi-vie est de 5,3 x 10 ²⁵ ans, ce qui signifie que la chance de voir la carie d'une personne l'atome pendant ce temps est égal à 50%.

Extension du modèle standard

Si une décroissance est détectée, cela signifie que les neutrinos sont des antiparticules pour eux-mêmes, comme les photons. Sinon, la désintégration sans neutrinos ne peut pas avoir lieu. Cela signifie également qu'une telle désintégration radioactive est asymétrique. Rappelons que la désintégration bêta a une version miroir - des électrons et des antineutrinos, ou des positons et des neutrinos, sont émis. Si la désintégration bêta double est asymétrique, cela signifie que les neutrinos et les antineutrinos se comportent différemment. Pour les autres paires de particules / antiparticules, ce n'est pas le cas.

Ce phénomène affectera le modèle standard qui, bien qu'il explique très bien la physique des particules, n'est pas complet. Le modèle a prédit l'existence du boson de Higgs. Mais Schwingenhöyer note qu'il existe des preuves que le neutrino a une petite masse (découverte seulement en 1998, pour laquelle le prix Nobel a été reçu en 2015), ainsi que des signes de présence de matière noire. Tout cela suggère que le modèle standard n'est pas devenu le dernier mot de la science.

«Si une double désintégration bêta sans neutrinos est détectée, nous pouvons résoudre quelques problèmes», a déclaré Philip Barbeau, professeur adjoint de physique à l'Université Duke. «Premièrement, cela aidera à expliquer l'asymétrie matière-antimatière dans l'Univers. Deuxièmement, cela aidera à comprendre pourquoi les neutrinos ont une si petite masse. Nous pourrons également estimer la masse de neutrinos, car le taux de désintégration est lié à l'échelle de masse des neutrinos. »

Et puis il reste à comprendre la physique du processus. Le projet GERDA n'a pas encore démontré la désintégration souhaitée, mais cela ne signifie pas qu'il ne la trouvera pas, comme le dit Schwingenhöyer. Il ne sera pas possible d'éliminer complètement la probabilité d'un tel processus, car il restera toujours la possibilité que le temps nécessaire à son apparition soit simplement plus long qu'on ne le pensait. À ce jour, ils ont fixé une limite inférieure pour la demi-vie, mais les expériences futures pourraient augmenter cette valeur.

Si, après de nombreuses séries, ils ne voient toujours pas la décomposition, Barbot pense que cela ne devrait pas ouvrir la voie à de nouveaux modèles scientifiques. «Du point de vue des théories sous-jacentes, nous ne revenons pas aux calculs. Nous ne saurons tout simplement pas si les neutrinos sont des fermions de Majorana. »