La théorie prévoit que la désintégration radioactive de l’isotope a une demi-vie qui dépasse l’âge de l’univers « de plusieurs ordres de grandeur », mais aucune preuve du processus n’était apparue jusqu’à présent.

Une équipe internationale de physiciens comprenant trois chercheurs de l’Université Rice — le professeur adjoint Christopher Tunnell, le scientifique invité Junji Naganoma et le professeur de recherche adjoint Petr Chaguine — ont rapporté la première observation directe de la double capture d’électrons par deux neutrinos pour le xénon 124, le processus physique par lequel il se désintègre. Leur article paraît cette semaine dans la revue Nature.

Alors que la plupart des isotopes du xénon ont des demi-vies inférieures à 12 jours, quelques-uns sont considérés comme ayant une durée de vie exceptionnellement longue et essentiellement stable. Le xénon 124 est l’un d’entre eux, bien que les chercheurs aient estimé sa demi-vie à 160 trillions d’années car il se désintègre en tellure 124. On suppose que l’univers n’a que 13 à 14 milliards d’années.

La nouvelle découverte rapproche la demi-vie du Xénon 124 de 18 sextillions d’années. (Pour mémoire, c’est 18 000 000 000 000 000 000 000.)

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 pour que la majeure partie d’une matière radioactive se réduise de moitié. 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 », a déclaré Tunnell.

« Un point clé ici est que nous avons tant d’atomes, donc si l’un d’eux se désintègre, nous le verrons », a-t-il déclaré. « Nous avons une tonne (littérale) de matériel. »

Ce lieu, installé au plus profond d’une montagne en Italie, est une chambre qui contient une tonne de xénon liquide hautement purifié et protégé de toutes les manières possibles des interférences radioactives.

Appelée l’expérience XENON1T, c’est la dernière d’une série de chambres conçues pour trouver la première preuve directe de la matière noire, la substance mystérieuse censée représenter la majeure partie de la matière dans l’univers.

Elle a la capacité d’observer également d’autres phénomènes naturels uniques. L’une de ces sondes, lors de la dernière campagne d’un an, devait surveiller la désintégration prévue du xénon 124. Le tri de la pile de données produites par la chambre a révélé des « dizaines » de ces désintégrations, a déclaré Tunnell, qui a rejoint Rice cette année dans le cadre de l’initiative Data Science de l’université.

« Nous pouvons voir des neutrons uniques, des photons uniques, des électrons uniques », a-t-il déclaré. « Tout ce qui entre dans ce détecteur va déposer de l’énergie d’une manière ou d’une autre, et c’est mesurable ». XENON1T peut détecter les photons qui surgissent dans le milieu liquide ainsi que les électrons attirés par une couche supérieure de gaz xénon chargé. Les deux sont produits lorsque le xénon 124 se désintègre.

« Il existe différentes façons dont un isotope radioactif peut se désintégrer », a-t-il déclaré. « L’une est la désintégration bêta. Cela signifie qu’un électron sort. Il peut y avoir une désintégration alpha, où il crache une partie du noyau pour libérer de l’énergie. Et il y a la capture d’électrons, lorsqu’un électron entre dans le noyau et transforme un proton en neutron. Cela change la composition du noyau et entraîne sa désintégration.

« Normalement, vous avez un électron qui entre et un neutrino qui sort », a déclaré Tunnell. « Ce neutrino a une énergie fixe, c’est ainsi que le noyau expulse sa masse. C’est un processus que nous observons souvent en physique nucléaire des particules et qui est assez bien compris. Mais nous n’avions jamais vu deux électrons entrer dans le noyau en même temps et émettre deux neutrinos. »

Les photons sont libérés lorsque les électrons tombent en cascade pour remplir les espaces vacants inférieurs autour du noyau. Ils apparaissent comme une bosse sur un graphique qui ne peut être interprétée que comme de multiples captures d’électrons doubles à deux neutrinos. « Cela ne peut être expliqué par aucune autre source de fond que nous connaissons », a déclaré Tunnell, qui a servi de coordinateur d’analyse pendant deux ans.

XENON1T reste le détecteur le plus grand et le plus sensible au monde pour les particules massives faiblement interactives, alias WIMPs, les particules hypothétiques censées constituer la matière noire. Tunnell a travaillé à XENON1T avec son collègue du Rice, Naganoma, qui a occupé le poste de directeur des opérations.

Les chercheurs qui composent la collaboration XENON, tous coauteurs de l’article, n’ont pas encore détecté de matière noire, mais un instrument plus grand, XENONnT, est en cours de construction pour faire avancer la recherche. Chaguine est le responsable de la mise en service du nouvel instrument, chargé de sa construction.

L’exemple de la collaboration pourrait conduire les chercheurs à trouver d’autres processus exotiques non liés à la matière noire, a déclaré Tunnell, y compris la chasse en cours pour un autre processus invisible, la double capture d’électrons sans neutrinos, dans laquelle aucun neutrinos n’est libéré. Ce processus, selon l’article, « aurait des implications sur la nature du neutrino et donnerait accès à la masse absolue du neutrino ».

« Cela devient délicat, car alors que nous avons la science que nous essayons de faire, nous devons également penser à ce que nous pouvons faire d’autre avec l’expérience », a-t-il dit. « Nous avons beaucoup d’étudiants qui cherchent des projets de thèse, alors nous faisons une liste de 10 ou 20 autres mesures — mais ce sont des tirs dans le noir, et nous ne trouvons presque toujours rien, comme c’est typique de la science motivée par la curiosité.

« Dans ce cas, nous avons pris un tir dans le noir où deux ou trois étudiants ont eu beaucoup de chance », a-t-il dit.