Double désintégration bêta

La double désintégration bêta est un processus nucléaire extraordinairement rare au cours duquel deux neutrons deviennent simultanément des protons. Elle se produit dans la nature — et sous une seconde forme, jamais observée, elle pourrait répondre à l'une des plus anciennes questions ouvertes de la physique.

La forme ordinaire

Pour certains noyaux atomiques, la désintégration bêta simple est énergétiquement interdite, mais la double est permise. Alors deux neutrons se transforment en même temps, et il naît deux électrons et deux antineutrinos.

Parce que deux processus doivent avoir lieu simultanément, c'est extraordinairement improbable :

C'est cent millions à cent milliards de fois plus long que l'âge de l'univers. Cela ne devient mesurable que par le nombre considérable d'atomes : un kilogramme contient tant de noyaux que quelques désintégrations surviennent chaque année.

La forme recherchée

Plus intéressante est la variante sans neutrinos. Il ne naîtrait alors que les deux électrons.

Cela n'est possible que si le neutrino est sa propre antiparticule — une particule de Majorana au sens de Ettore Majorana. L'antineutrino émis par un neutron pourrait alors être aussitôt réabsorbé comme neutrino par le second neutron. Rien ne parvient à l'extérieur.

Dans ce processus, le nombre leptonique serait violé de deux unités. Tomberait ainsi une grandeur conservée qui a tenu jusqu'ici dans toutes les expériences.

Comment on la reconnaîtrait

On mesure la somme des énergies des deux électrons.

Dans la double désintégration bêta ordinaire, les neutrinos emportent une part indéterminée ; la somme donne un large spectre. Sans neutrinos, les électrons devraient porter l'intégralité de l'énergie — le résultat serait un pic étroit à l'extrémité supérieure.

On recherche donc une raie étroite au-dessus d'un large fond. Cela exige une excellente résolution en énergie et des matériaux extrêmement purs.

Les concurrents

Plusieurs expériences travaillent avec différents nucléides et différentes techniques — ce qui est délibéré, car une découverte sur un seul nucléide serait difficile à croire.

GERDA et LEGEND utilisent le germanium 76 comme détecteur à semi-conducteur. L'astuce : le nucléide est à la fois source et détecteur, ce qui rend la résolution en énergie extraordinairement bonne.

KamLAND-Zen dissout du xénon 136 dans le scintillateur de KamLAND et exploite ainsi le grand volume disponible.

CUORE refroidit des cristaux de tellure 130 à un centième de degré au-dessus du zéro absolu et mesure l'infime élévation de température d'une désintégration isolée.

Aucune ne l'a trouvée. Les limites inférieures se situent au-delà de 10²⁶ ans.

Pourquoi une absence de découverte est un progrès

Chaque limite repoussée restreint davantage la masse effective de Majorana possible — actuellement à quelques centièmes voire dixièmes d'électronvolt.

La recherche se rapproche ainsi du domaine auquel on pourrait s'attendre pour la masse du neutrino dans le cas d'un ordre de masse inversé. Si la prochaine génération ne trouve rien, cet agencement sera largement exclu — cela aussi serait un résultat.

Une restriction s'impose : le chemin qui mène de la période radioactive à la masse passe par des éléments de matrice nucléaire, qui ne peuvent qu'être calculés. Différentes méthodes s'écartent d'un facteur deux à trois. Cette incertitude accompagne toute indication dans ce domaine.

Ce qui est en jeu

Une mise en évidence aurait trois conséquences d'un seul coup. Elle montrerait que le neutrino est sa propre antiparticule. Elle réfuterait la conservation du nombre leptonique. Et elle étaierait le mécanisme de bascule — et avec lui une voie possible pour expliquer la prépondérance de la matière dans l'univers.

Termes apparentés

• Ettore Majorana — l'idée de 1937
• Hélicité — pourquoi la question se pose
• Mécanisme de bascule
• Masse du neutrino

Sources

• Collaboration GERDA : Final Results of GERDA, Physical Review Letters 125, 252502 (2020).
• Collaboration KamLAND-Zen : Search for Majorana Neutrinos with the Complete KamLAND-Zen Dataset, Physical Review Letters 130, 051801 (2023).