Depuis des années, une équipe internationale de chercheurs s'est cachée au fond d'une montagne du centre de l'Italie, collectant sans relâche les mesures les plus sensibles du mètre cube le plus froid de l'univers connu. Les scientifiques recherchent des preuves que les particules fantomatiques appelées neutrinos ne se distinguent pas de leurs propres homologues d'antimatière. Si elle est prouvée, la découverte pourrait résoudre une énigme cosmique qui tourmente les physiciens depuis des décennies: pourquoi la matière existe-t-elle?
Ils savent depuis longtemps que la matière a un jumeau maléfique surnommé antimatière. Pour chaque particule fondamentale de l'univers, il existe une antiparticule presque identique à son frère, de même masse mais de charge opposée. Lorsqu'une particule et une antiparticule se rencontrent face à face, elles s'annihilent, créant une énergie pure.
"Nous avons cette apparente symétrie complète de la comptabilité entre la matière et l'antimatière", a déclaré Thomas Live O'Donnell, professeur de physique à Virginia Tech University. "Chaque fois que vous faites un morceau de matière, vous faites également un morceau d'équilibrage d'antimatière, et chaque fois que vous détruisez un morceau de matière, vous devez détruire un morceau d'antimatière. Si cela est vrai, vous ne pouvez jamais avoir plus d'un type que l'autre."
Cette symétrie est en contradiction avec notre compréhension actuelle de la façon dont l'univers a commencé. Selon la théorie du Big Bang, lorsque l'univers s'est étendu d'une singularité infinitésimale il y a environ 13,8 milliards d'années, on pense que des quantités égales de matière et d'antimatière ont vu le jour. Cependant, lorsque les astronomes regardent le cosmos aujourd'hui, l'univers est composé presque entièrement de matière sans aucun de ses jumeaux maléfiques en vue. Plus troublant, si la théorie du Big Bang est correcte, alors nous - oui, les humains - ne devrions pas être ici aujourd'hui.
"Si la matière et l'antimatière obéissaient pleinement à cette symétrie, alors à mesure que le cosmos évoluerait, toute la matière et l'antimatière se seraient annihilées en photons et il n'y aurait plus de matière pour les étoiles, les planètes ou même les cellules humaines. Nous n'existerions pas!" Dit O'Donnell. "La grande question est alors:" Ce schéma comptable a-t-il été rompu à un moment donné de l'évolution de l'univers? ""
C'est à cette question qu'O'Donnell et ses collègues espèrent répondre. Au cours des deux dernières années, leur équipe a collecté et analysé les données de l'expérience CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) au Laboratoire national du Gran Sasso en Italie, à la recherche du pistolet fumant qui mettrait ce mystère cosmique au repos.
Les petits neutres
CUORE, qui signifie «cœur» en italien, recherche des preuves que les particules subatomiques insaisissables appelées neutrinos sont leur propre antiparticule, ce que les physiciens appellent une particule de Majorana. Les neutrinos, qui passent comme des spectres dans la plupart des matières, sont extrêmement difficiles à détecter. En fait, selon la NASA, des billions de neutrinos provenant du four nucléaire ardent de notre soleil traversent notre corps à chaque seconde.
L'expérience CUORE cherche la signature de neutrinos Majorana s'annihilant mutuellement dans un processus appelé désintégration bêta double sans neutrinoless. Dans la désintégration double-bêta ordinaire, deux neutrons à l'intérieur du noyau d'un atome se transforment simultanément en deux protons, émettant une paire d'électrons et d'antineutrinos. Cet événement nucléaire, bien que extrêmement rare et ne se produisant qu'une fois tous les 100 quintillions d'années (10 ^ 20) pour un atome individuel, a été observé dans la vie réelle.
Cependant, si les chercheurs ont raison et que les neutrinos sont de vraies particules de Majorana (ce sont leurs propres antiparticules), les deux antineutrinos créés pendant la désintégration pourraient s'anéantir et créer une désintégration double sans bêta sans neutrinos. Le résultat? Juste des électrons, qui sont de la «matière ordinaire». Si ce processus s'avère vrai, il peut être responsable de l'ensemencement du premier univers avec de la matière ordinaire. L'observation de ce processus, cependant, est une autre histoire. Les scientifiques estiment que la désintégration double bêta sans neutrinos (si elle existe), ne peut avoir lieu qu'une fois tous les 10 septillions d'années (10 ^ 25).
"Le mode sans neutrinol est celui que nous voulons vraiment voir, il enfreindrait les règles, créant de la matière sans antimatière", a déclaré O'Donnell, membre de la collaboration CUORE. "Ce serait le premier indice d'une véritable solution de l'asymétrie matière-antimatière."
Le détecteur CUORE recherche la signature énergétique, sous forme de chaleur, des électrons créés lors de la désintégration radioactive des atomes de tellure. La désintégration double bêta sans neutralité laisserait un pic unique et reconnaissable dans le spectre d'énergie des électrons.
"CUORE est, par essence, l'un des thermomètres les plus sensibles au monde", a déclaré Carlo Bucci, coordinateur technique de la collaboration CUORE, dans un communiqué.
Assemblé sur une décennie, l'instrument CUORE est le mètre cube le plus froid de l'univers connu. Il se compose de 988 cristaux en forme de cube en dioxyde de tellure, refroidis à 10 milli-kelvin, ou moins 460 degrés Fahrenheit (moins 273 degrés Celsius), juste un cheveu au-dessus de la température la plus froide que la physique permettra. Pour protéger l'expérience contre les interférences de particules extérieures telles que les rayons cosmiques, le détecteur est enfermé dans une épaisse couche de plomb très pur récupéré d'une épave romaine vieille de 2000 ans.
Malgré les réalisations technologiques de l'équipe, trouver l'événement sans neutrinol s'est avéré être une tâche difficile. Les chercheurs ont plus que quadruplé les données collectées depuis leurs premiers résultats en 2017, ce qui représente le plus grand ensemble de données jamais collecté par un détecteur de particules de ce type. Leurs derniers résultats, publiés sur la base de données de préimpression arXiv, montrent qu'ils n'ont trouvé aucune preuve de désintégration double bêta sans neutrinos.
La collaboration est toujours déterminée à traquer cette particule à double agent insaisissable. Leurs résultats ont mis une limite plus stricte sur la masse attendue d'un neutrino Majorana, qui, selon eux, est au moins 5 millions de fois plus léger qu'un électron. L'équipe prévoit de mettre à niveau CUORE après sa première période de cinq ans, en introduisant un nouveau type de cristal qui, espérons-le, améliorera considérablement sa sensibilité.
"Si l'histoire est un bon prédicteur de l'avenir, alors nous pouvons être assez certains que repousser l'enveloppe des technologies de détection nous permettra de scruter les neutrinos avec une profondeur toujours croissante", a déclaré O'Donnell. "Avec un peu de chance, nous découvrirons une désintégration double-beta sans neutrinol, ou peut-être quelque chose de plus exotique et inattendu."
