Désintégration bêta

La désintégration bêta est ce processus nucléaire au cours duquel un neutron se transforme en un proton ou inversement. Elle est le point de départ de toute la physique des neutrinos : c'est là que l'on remarqua que de l'énergie semblait manquer, et de cette lacune naquit la supposition qu'il existe un neutrino.

Les trois formes

Désintégration bêta moins. Un neutron devient un proton, un électron et un antineutrino. Le noyau avance d'une case dans le tableau périodique. C'est le cas le plus fréquent et celui que l'on entend d'ordinaire.

Désintégration bêta plus. Un proton devient un neutron, un positon et un neutrino. Le noyau recule d'une case. À l'état libre, cela n'arrive jamais — un proton isolé est stable —, mais bien au sein d'un noyau, lorsque l'énergie de liaison le favorise.

Capture électronique. Le noyau attire à lui un électron de la couche la plus interne et transforme ainsi un proton en un neutron. Ici naît seulement un neutrino et aucune autre particule chargée. C'est exactement ce processus qu'utilisa Maurice Goldhaber en 1958 pour la mesure de l'hélicité.

Ce qui se cache derrière

Au niveau des quarks, le processus est simple. Un neutron est composé de deux quarks down et d'un quark up, un proton de l'inverse. Lors de la désintégration, un quark down se transforme en un quark up et émet ce faisant un boson W, qui se désintègre aussitôt en un électron et un antineutrino.

Parce que le boson W est environ quatre-vingts fois plus lourd qu'un proton, il ne va guère loin — et c'est pourquoi l'interaction faible est si lente. Un neutron libre vit en moyenne environ 880 secondes, soit un peu moins d'un quart d'heure. Pour des processus nucléaires, c'est une éternité.

L'énigme du spectre continu

En 1914, James Chadwick constata que les électrons issus de la désintégration bêta ont des énergies tout à fait différentes. Dans tout autre processus nucléaire, l'énergie est bien définie : le noyau saute d'un état à un autre, et la différence apparaît en totalité.

Ici, c'était un large spectre, allant de presque zéro jusqu'à une valeur maximale. Où passait le reste ?

Pendant quinze ans, on débattit de savoir s'il s'agissait d'une erreur de mesure. En 1930, Lise Meitner et Wilhelm Orthmann tranchèrent la question à l'aide d'un calorimètre : ils ne mesurèrent pas des électrons isolés, mais la totalité de la chaleur dégagée. Si le spectre avait été un artefact, la quantité de chaleur aurait dû correspondre à la valeur maximale. Elle correspondit à la valeur moyenne.

L'énergie disparaissait donc réellement.

Les deux issues

Niels Bohr envisagea sérieusement d'abandonner le principe de conservation de l'énergie à petite échelle.

Wolfgang Pauli tint cela pour le prix le plus élevé et proposa en décembre 1930 l'autre voie : une particule invisible qui emporterait l'énergie manquante.

Enrico Fermi en fit en 1934 une théorie qui ne sauvait pas seulement le bilan, mais prédisait la forme du spectre — et la forme mesurée concordait. Le pis-aller de Pauli était ainsi devenu de la physique vérifiée.

Pourquoi la forme du spectre compte encore aujourd'hui

À l'extrémité supérieure du spectre, là où l'électron reçoit presque toute l'énergie, il ne reste presque rien pour le neutrino. Si celui-ci possède une masse, il faut au moins fournir l'énergie nécessaire à celle-ci — et le spectre se termine un tout petit peu plus tôt.

C'est exactement ce que mesure KATRIN sur du tritium. C'est le seul accès à la masse du neutrino qui se passe d'hypothèses de modèle.

Le cas double

Pour certains noyaux, la désintégration bêta simple est énergétiquement interdite, mais la double est permise. Alors deux neutrons se transforment simultanément. Les périodes radioactives se situent à 10¹⁸ ans et plus — et pourtant cette désintégration a été mesurée.

On recherche la variante sans neutrinos. Elle ne serait possible que si le neutrino est sa propre antiparticule, et elle répondrait ainsi à l'une des plus anciennes questions ouvertes. Plus de détails sur la page Double désintégration bêta.

Où l'on rencontre encore ce processus

La désintégration bêta n'est pas une affaire de laboratoire. Elle engendre les neutrinos de réacteur grâce auxquels réussit en 1956 la première mise en évidence d'un neutrino. Elle fournit les géoneutrinos qui permettent de déterminer le bilan thermique de la Terre. Elle se trouve au commencement de la fusion nucléaire dans le Soleil. Et elle est le fondement de la datation au radiocarbone.

Termes apparentés

• Wolfgang Pauli — la proposition de 1930
• Lise Meitner — la mesure décisive
• Enrico Fermi — la théorie
• KATRIN — l'application actuelle

Sources

• E. Fermi : Versuch einer Theorie der β-Strahlen, Zeitschrift für Physik 88, 161 (1934).
• L. Meitner, W. Orthmann : Über eine absolute Bestimmung der Energie der primären β-Strahlen von Radium E, Zeitschrift für Physik 60, 143 (1930).