Physique

Le plus rare

Henri DUPUIS • dupuis.h@belgacom.net

© XENON Collaboration, © Nature

Le détecteur XENON situé sous le Gran Sasso en Italie a pour mission de débusquer la matière noire. En vain jusqu’ici. Mais il vient d’observer un phénomène rarissime, le plus rare jamais détecté à ce jour.

Inaugurée en 2015, l’expérience Xénon1T (pour 1 Tonne de xénon) est destinée à repérer des particules de matière noire. Électriquement neutres, celles-ci n’interagissent pratiquement pas avec la matière ordinaire. D’où ces détecteurs ultrasensibles, et dont la cible (le xénon) est de plus en plus volumineuse pour augmenter les chances de repérer des interactions. À terme, la cuve devrait d’ailleurs contenir 7,5 tonnes de xénon.

Inaugurée en 2015, l’expérience Xénon1T (pour 1 Tonne de xénon) est destinée à repérer des particules de matière noire. Électriquement neutres, celles-ci n’interagissent pratiquement pas avec la matière ordinaire. D’où ces détecteurs ultrasensibles, et dont la cible (le xénon) est de plus en plus volumineuse pour augmenter les chances de repérer des interactions. À terme, la cuve devrait d’ailleurs contenir 7,5 tonnes de xénon.

On appelle cela la sérendipité ou l’art de trouver ce qu’on ne cherche pas. L’histoire des sciences est riche de ce phénomène et une publication dans Nature (1) vient encore d’en fournir un bel exemple. L’événement s’est produit dans le détecteur XENON1T dont l’essentiel est composé de 3,5 tonnes de xénon maintenu liquide à -95°C. Le but est de repérer l’interaction d’une hypothétique particule de matière noire avec le xénon sous forme d’une émission de lumière UV détectée par des capteurs très sensibles situés sur et sous le cylindre contenant le xénon. Une quête restée sans succès jusqu’à présent. Pourtant, les détecteurs ont bien enregistré un événement. Mais rien à voir avec la matière noire.

Le xénon existe en effet sous divers isotopes. Rappelons que les isotopes d’un élément sont les différents types d’atomes de cet élément qui ne se distinguent que par le nombre de neutrons; ainsi le xénon le plus abondant est le xénon-132 (132X), stable avec 78 neutrons. Mais il existe aussi des isotopes instables, radioactifs, de ce gaz comme le xénon-124 (124X), qui ne compte que 70 neutrons (et bien sûr toujours 54 protons) mais dont ce qu’on appelle l’abondance naturelle (AN) n’est que de 0,1%. Par comparaison, l’AN du 132X est de 26,9%. Comme tous les isotopes radioactifs, c’est-à-dire instable, notre 124X n’aura de cesse d’acquérir plus de stabilité, ce qu’il fera en expulsant de l’énergie sous forme de particules et/ou de rayonnement. C’est le phénomène de radioactivité.

Période radioactive

Au sein d’un ensemble d’atomes radioactifs, de radioéléments, ce phénomène ne va cependant pas se produire simultanément pour tous les atomes. Il existe en effet une loi fondamentale de la radioactivité qui est celle de la décroissance selon une loi exponentielle: au bout d’un temps t caractéristique de l’élément et appelé période radioactive ou demi-vie, le nombre de noyaux d’un échantillon radioactif aura diminué de moitié. Au bout de 2 périodes, le nombre aura donc été divisé par 4, par 8 au bout de 3 périodes et ainsi de suite. Notons d’ailleurs au passage que du point de vue mathématique, une telle loi n’est jamais nulle (la moitié de la moitié de la moitié, etc. n’est jamais égale à zéro !). Cette période est caractéristique de l’élément et ne dépend en rien de facteurs extérieurs comme la température, la pression, etc. Ni d’ailleurs du passé ou du futur de l’isotope. Et surtout, c’est une propriété probabiliste: chaque atome ne va pas se désintégrer après un temps déterminé, prévisible; la demi-vie est simplement la durée à l’issue de laquelle le noyau a une chance sur deux d’être désintégré. Autrement dit, et c’est important de le souligner, la désintégration d’un noyau individuel est un phénomène spontané et aléatoire, impossible à prédire.

En outre, cette période varie énormément d’un isotope à l’autre, allant de quelques fractions de seconde à des milliards d’années ! Ainsi, la période du béryllium-8 (8Be) par exemple n’est-elle que de 6,7.10-17 secondes. Autant dire qu’il s’agit là d’un isotope «fugitif», disparu depuis belle lurette, qui n’apparaît éventuellement qu’au cours de réactions nucléaires (par exemple dans des réactions provoquées par l’homme dans des accélérateurs de particules) pour disparaître aussi vite. À l’inverse, le bien connu carbone-14 (14C) a une période de 5 730 ans, d’où son utilité comme moyen de datation. L’238U pour sa part a une période proche de l’âge de notre Terre, 4,4688 milliards d’années.

Différentes formes

Le phénomène de radioactivité ne va pas non plus s’exprimer sous une seule forme. Il y a la radioactivité alpha au cours de laquelle l’atome qui se désintègre émet 2 protons et 2 neutrons en provenance directe de son noyau. Et la radioactivité beta qui comporte 2 cas: la beta- au cours de laquelle un neutron du noyau devient un proton avec éjection d’un électron et d’un antineutrino; et la beta+, phénomène inverse (un proton devient neutron avec éjection d’un positron – électron positif – et un neutrino). C’est celle-ci qui nous intéresse car elle comporte une variante, la capture électronique (appelée aussi désintégration epsilon). Elle se produit lorsque le noyau est déficitaire en neutrons et dans ce cas, le noyau absorbe un électron situé sur une couche électronique de l’atome, ce qui implique qu’immédiatement, un proton devient un neutron comme dans la désintégration beta+ afin de conserver la charge électrique de l’ensemble, et s’accompagne de l’émission d’un neutrino et de rayonnements, dont des rayons X et des électrons.

Rarissime

Les détecteurs ultrasensibles et ultraperformants de XENON1T ont donc bien enregistré un événement, mais il n’a rien à voir avec la matière noire. Le signal reçu s’est révélé, après analyse, être celui d’une double capture électronique simultanée, phénomène encore plus rare que la capture simple. Et qui n’a pu provenir que de la désintégration d’un isotope de 124X. En se désintégrant dans la masse de xénon liquide, l’isotope a produit un rayon X qui a été repéré; les électrons ont été déplacés vers la partie supérieure du détecteur remplie de gaz; là, ils ont généré un second signal lumineux. La différence de temps entre les 2 signaux a permis de déterminer la position de la double capture et l’énergie libérée dans le processus a été déduite de la force des signaux.
À l’aide de ces mesures, les physiciens ont calculé la demi-vie de cet isotope: 1,8.1022 années ! Soit bien davantage que l’âge de l’univers qui affiche modestement 13,8.10ans. C’est donc bien le phénomène le plus lent et le plus rare qui ait jamais été observé dans un détecteur. La «chance» pour que l’être humain puisse y assister et surtout l’observer était minime. C’est chose faite. 

(1) Observation of two-neutrino double electron capture in 124Xe with XENON1T, Xenon collaboration, Nature volume 568, pages 532–535 (2019).

Schéma illustrant la désintégration par double capture électronique:

À gauche, le noyau excité capture 2 électrons provenant de sa couche électronique K;
dès lors, 2 protons (boules rouges) deviennent des neutrons (boules blanches), ce qu’on voit sur la figure de droite. En même temps, l’atome émet 2 neutrinos (ν) ainsi que 2 électrons (dits Auger)  et surtout un rayonnement X.

Enfin, les électrons des différentes couches électroniques (K, L, M, N) se réorganisent pour remplacer les 2 électrons partis de la couche K.

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