Grâce au détecteur de matière noire logé sous les montagnes du Gran Sasso, en Italie, les scientifiques ont enregistré l’un des événements les plus rares jamais détectés : un type particulier de désintégration radioactive du xénon-124 .XENON1T
C’est un exploit étonnant, car la désintégration de cet isotope est extrêmement, extrêmement lente. En effet, le xénon-124 a une demi-vie de 1,8 x 10 puissance 22 ans, soit environ un trillion de fois plus longue que l’âge de l’Univers.
Dans le domaine de la désintégration radioactive, la demi-vie correspond au temps qu’il faudrait à la moitié des noyaux atomiques d’un échantillon donné pour se transformer spontanément par l’un des nombreux types de désintégration radioactive, qui consiste souvent à cracher ou à capturer des protons, des neutrons et des électrons dans diverses combinaisons.
Dans le cas présent, une équipe de chercheurs a réussi à observer un événement spécial appelé “double capture d’électrons”, au cours duquel deux protons d’un atome de xénon ont absorbé simultanément deux électrons, ce qui a donné naissance à deux neutrons – décrits par l’équipe comme “une chose rare multipliée par une autre chose rare, ce qui la rend ultra-rare”.
Cette observation passionnante a eu lieu grâce à l’étalonnage incroyablement précis de XENON1T. L’instrument est conçu pour détecter les interactions d’hypothétiques particules de matière noire avec les atomes des 1 300 kilogrammes (2 866 livres) d’isotope de xénon contenus dans le réservoir de l’appareil.
Mais dans ce cas, les capteurs conçus pour observer ces interactions ont capté la désintégration de l’isotope lui-même, ce qui a conduit à une observation rare d’un autre type.
“Nous avons réellement vu cette désintégration se produire”, explique l’un des chercheurs, Ethan Brown, du Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) de New York. “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”
“C’est incroyable d’avoir été témoin de ce processus, et cela dit que notre détecteur peut mesurer la chose la plus rare jamais enregistrée”
Les scientifiques n’avaient encore jamais observé directement la désintégration radioactive de cet isotope du xénon, bien que sa demi-vie fasse l’objet de théories depuis 1955. Il s’agit d’une preuve directe de ce que nous recherchons depuis des décennies.
En réalité, XENON1T détecte les signaux émis par les électrons de l’atome qui se réorganisent pour remplacer les deux électrons capturés dans le noyau. Comme le rapporte Gizmodo, cette découverte n’atteint pas le seuil statistique requis pour être considérée comme une découverte, mais elle n’en reste pas moins une observation incroyable.
“Les électrons en double capture sont retirés de la coquille la plus interne autour du noyau, ce qui crée de la place dans cette coquille”, explique M. Brown. “Les électrons restants s’effondrent vers l’état fondamental, et nous avons vu ce processus d’effondrement dans notre détecteur”
Même si XENON1T a été construit pour rechercher la matière noire, il montre comment ces instruments peuvent également conduire à d’autres découvertes importantes. Cette dernière observation pourrait nous en apprendre davantage sur les neutrinos, des particules abondantes mais difficiles à détecter que les scientifiques traquent depuis des décennies.
Dans ce cas, les chercheurs ont observé une double capture d’électrons par deux neutrinos – le résultat du réarrangement des électrons signifie que deux neutrinos ont été émis par le noyau atomique. Le prochain défi qu’ils veulent relever est de détecter une double capture d’électrons sans neutrinos, un événement encore plus rare que celui-ci.
Cela pourrait contribuer à dévoiler certains des secrets les plus profonds de la physique des particules.
“Il s’agit d’une découverte fascinante qui repousse les limites des connaissances sur les caractéristiques les plus fondamentales de la matière”, a déclaré Curt Breneman du RPI, qui n’a pas participé directement à l’étude.
“Le travail du Dr Brown pour calibrer le détecteur et s’assurer que le xénon est nettoyé selon le plus haut niveau de pureté possible a été essentiel pour réaliser cette importante observation.”
La recherche a été publiée dans Nature.