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Un détecteur de matière noire observe l’événement le plus rare jamais enregistré

Comment observez-vous un processus qui prend plus d’un billion de fois plus longtemps que l’âge de l’univers ? L’équipe de recherche XENON Collaboration l’a fait avec un instrument conçu pour trouver la particule la plus insaisissable de l’univers – la matière noire. Dans un article qui sera publié demain dans la revue Nature, des chercheurs ont annoncé avoir observé la désintégration radioactive du xénon-124, qui a une demi-vie de 1,8 x 1022 ans.

« Nous avons vu cette dégradation se produire. C’est le processus le plus long et le plus lent jamais observé directement, et notre détecteur de matière noire était suffisamment sensible pour le mesurer », a déclaré Ethan Brown, professeur assistant de physique à Rensselaer et co-auteur. de l’étude. « C’est incroyable de voir ce processus se dérouler. Cela dit que notre détecteur peut mesurer la chose la plus rare jamais enregistrée. »

La collaboration XENON exploite XENON1T, une cuve de 1 300 kilogrammes de xénon liquide ultra-pur protégé des rayons cosmiques dans un cryostat immergé dans de l’eau profonde à 1 500 mètres sous les montagnes du Gran Sasso en Italie. Les chercheurs recherchent la matière noire (cinq fois plus abondante que la matière ordinaire, mais n’interagissent que rarement avec la matière ordinaire) en enregistrant de minuscules éclairs de lumière créés lorsque les particules interagissent avec le xénon à l’intérieur du détecteur. Et tandis que XENON1T a été construit pour capturer l’interaction entre une particule de matière noire et le noyau d’un atome de xénon, le détecteur capte en fait les signaux de toute interaction avec le xénon.

La preuve de la désintégration du xénon a été produite sous la forme d’un proton à l’intérieur du noyau d’un atome de xénon converti en neutron. Dans la plupart des éléments sujets à la désintégration, cela se produit lorsqu’un électron est tiré dans le noyau. Mais un proton dans un atome de xénon doit absorber deux électrons pour se transformer en neutron, un événement appelé « capture par double électron ».

La capture à double électron ne se produit que lorsque deux des électrons sont juste à côté du noyau au bon moment, a déclaré Brown, ce qui est « une chose rare multipliée par une autre chose rare, le rendant ultra-rare. »

Lorsque l’ultra rare s’est produit et qu’une capture par double électron a eu lieu à l’intérieur du détecteur, les instruments ont capté le signal des électrons dans l’atome en se réorganisant pour remplir les deux qui ont été absorbés par le noyau.

Les photodétecteurs du détecteur interne de XENON1T ont été testés au xénon liquide dans le laboratoire UZH.
Les photodétecteurs du détecteur interne de XENON1T ont été testés au xénon liquide dans le laboratoire UZH.

« 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 », a déclaré Brown. « Les électrons restants se sont effondrés à l’ état fondamental, et nous avons vu ce processus d’effondrement dans notre détecteur. »

Il s’agit de la première fois que des scientifiques mesurent la demi-vie de cet isotope du xénon sur la base d’une observation directe de sa désintégration radioactive.

« Il s’agit d’une découverte fascinante qui avance les frontières de la connaissance sur les caractéristiques les plus fondamentales de la matière », a déclaré Curt Breneman, doyen de la School of Science. « Les travaux du Dr Brown visant à calibrer le détecteur et à garantir que le xénon soit lavé au degré de pureté le plus élevé possible étaient essentiels pour effectuer cette observation importante. »

L'électronique de sélection des photodétecteurs a été développée et construite à l'UZH.
L’électronique de sélection des photodétecteurs a été développée et construite à l’UZH. (Image: Xenon Collaboration) Crédit: Xenon Collaboration

La collaboration XENON regroupe plus de 160 scientifiques d’Europe, des États-Unis et du Moyen-Orient. Depuis 2002, elle exploite trois détecteurs de xénon liquide de plus en plus sensibles au Laboratoire national du Gran Sasso en Italie. XENON1T, le plus grand détecteur de ce type jamais construit, a acquis des données de 2016 à décembre 2018, année de sa mise hors tension. Les scientifiques mettent actuellement à niveau l’expérience pour la nouvelle phase XENONnT, qui comportera une masse de détecteur actif trois fois supérieure à celle de XENON1T. Associé à un niveau de bruit de fond réduit, la sensibilité du détecteur sera amplifiée d’un ordre de grandeur.

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