Progrès dans la recherche sur les neutrinos avec de nouveaux détecteurs

Un nouveau type de détecteur a été créé pour aider les scientifiques à étudier un phénomène rare appelé désintégration double-bêta sans neutrinos. C'est un processus où deux neutrons dans un atome se transforment en deux protons et n'émettent que deux électrons, ce qui pourrait changer notre compréhension de la physique. Les détecteurs utilisent des matériaux spéciaux appelés Cristaux de molybdate de lithium, capables de détecter de minuscules quantités d'énergie.

Ce projet est lié à deux expériences principales : CROSS et CUPID. Les deux visent à enquêter davantage sur la désintégration double-bêta sans neutrinos en utilisant des techniques de détection avancées.

#C'est quoi des Bolomètres scintillants ?

Les bolomètres scintillants sont un type de détecteur qui peut mesurer de petits changements d'énergie. Ils fonctionnent en absorbant l'énergie des particules et en la convertissant en chaleur. L'élément clé de ces détecteurs est qu'ils produisent aussi de la lumière en absorbant de l'énergie, ce qui peut aider à améliorer leur performance.

Dans ce projet, un ensemble de douze cristaux de molybdate de lithium a été fabriqué, chacun pesant environ 0,28 kg. Ces cristaux ont été combinés avec des détecteurs de lumière en Ge (germanium) pour améliorer leur capacité à collecter la lumière, ce qui aide à indiquer quand une particule interagit avec le cristal.

#La mise en place de l'expérience

Les douze cristaux ont été placés dans une unité de refroidissement spéciale située dans un laboratoire souterrain en Espagne, au Laboratoire souterrain de Canfranc. Cet endroit est idéal pour les expériences visant à mesurer des niveaux de radiation très bas, car il est protégé des rayons cosmiques et d'autres bruits de fond.

Les cristaux ont été testés pendant environ huit mois. Les changements de performance ont été surveillés en fonction de la taille des capteurs de lumière qui leur étaient attachés, de la forme des détecteurs de lumière et de la présence ou non de matériaux réfléchissants autour des cristaux.

L'objectif était de trouver la meilleure configuration qui mènerait à la plus haute sensibilité pour détecter les événements rares liés à la désintégration double-bêta.

#La recherche de la désintégration double-bêta sans neutrinos

La désintégration double-bêta sans neutrinos est un événement qui, s'il est détecté, indiquerait une physique au-delà de notre compréhension actuelle décrite par le Modèle Standard. On pense que cette désintégration se produit lorsque deux neutrons se transforment en protons sans produire de neutrinos, qui sont généralement émis avec des électrons dans d'autres types de désintégration bêta.

Trouver des preuves de cette désintégration pourrait aider les scientifiques à en apprendre davantage sur la nature des neutrinos et éventuellement révéler de nouvelles lois physiques. C'est pourquoi les chercheurs sont impatients d'améliorer les méthodes de détection de ce processus.

#Le rôle des bolomètres dans la détection

Les bolomètres sont des éléments clés dans la recherche de la désintégration double-bêta sans neutrinos. Ce sont des détecteurs très sensibles capables de mesurer l'énergie déposée par les particules en interaction. Lorsqu'une particule frappe le bolomètre, elle crée une petite quantité de chaleur, que le détecteur peut mesurer.

Les bolomètres spécifiques de ce projet ont été conçus pour fonctionner à des températures très basses, proches du zéro absolu. Cela minimise le bruit thermique, permettant des mesures plus précises de l'énergie libérée par les interactions.

#Tests de performance des bolomètres scintillants

Pendant la phase de test, les scientifiques ont examiné comment les bolomètres se comportaient dans différentes conditions. Ils ont mesuré l'efficacité avec laquelle les détecteurs pouvaient collecter de la lumière et leur sensibilité à la détection de l'énergie des particules entrantes.

La taille des capteurs et l'arrangement des cristaux ont été variés pour voir quelles configurations fonctionnaient le mieux. L'exploration de différents agencements a permis aux chercheurs de rassembler des données sur la façon dont ces éléments affectaient la performance du détecteur.

Les chercheurs ont constaté que les conditions spécifiques de collecte de la lumière et le type de capteurs utilisés avaient un impact noticeable sur la performance. Ces informations sont utiles pour les futurs designs et améliorations.

#Résultats de l'ensemble de douze cristaux

L'ensemble de douze cristaux a prouvé que les cristaux de molybdate de lithium peuvent détecter de faibles niveaux de radiation. Les expériences ont montré que les cristaux pouvaient fonctionner efficacement sur une période de huit mois.

Les données recueillies pendant cette période ont révélé des informations précieuses sur la sensibilité globale des détecteurs. Certains cristaux ont mieux performé que d'autres, selon divers facteurs comme leur revêtement et les capteurs de lumière attachés.

#Collecte de lumière et sensibilité

Un des aspects les plus critiques de l'expérience était de comprendre combien de lumière les cristaux étaient capables de collecter et de convertir en signaux. Lorsqu'une particule frappe un cristal, elle génère à la fois de la chaleur et de la lumière. En mesurant les deux, les scientifiques peuvent déterminer plus précisément ce qui s'est passé.

Les résultats ont montré que certaines configurations, comme l'utilisation de détecteurs de lumière carrés plutôt que circulaires, amélioraient considérablement la quantité de lumière collectée. La présence de revêtements réfléchissants a également contribué à collecter plus de lumière, renforçant la capacité de détection globale.

#Défis rencontrés

Malgré les aspects réussis du projet, des défis sont apparus, en particulier liés au bruit causé par le système de refroidissement. Le cryostat à tube à pulsation utilisé pour maintenir les détecteurs à basse température a introduit des vibrations qui interféraient avec les mesures.

Les chercheurs ont remarqué que certains systèmes produisaient des pics de bruit qui limitaient la performance des détecteurs. Identifier et atténuer ces problèmes est devenu une priorité durant l'expérience, entraînant des améliorations dans la conception des détecteurs.

#Niveaux de Radioactivité dans les cristaux

Un autre aspect critique de l'enquête était de mesurer les niveaux de contaminants radioactifs dans les cristaux de molybdate de lithium. Des niveaux de radioactivité plus bas sont essentiels pour s'assurer que les signaux détectés proviennent des événements ciblés plutôt que de la radiation de fond.

Les expériences ont indiqué que les cristaux avaient des niveaux de contamination radioactifs très bas, ce qui est prometteur pour des mesures sensibles dans les expériences futures.

#Directions futures

Avec les informations tirées de cette expérience, les chercheurs peuvent mieux concevoir de futurs détecteurs visant à mesurer la désintégration double-bêta. Les leçons apprises sur la structure des cristaux, les arrangements de capteurs et l'atténuation du bruit joueront un rôle vital dans l'avancement de ce domaine.

Les collaborations CROSS et CUPID visent à s'appuyer sur ces découvertes pour développer des détecteurs encore plus performants. Ce travail permettra d'améliorer les stratégies d'identification des événements rares et contribuera à élargir notre compréhension de la physique des particules.

#Conclusion

La création et les tests de l'ensemble de douze cristaux de bolomètres scintillants en molybdate de lithium représentent un progrès significatif dans la recherche de la désintégration double-bêta sans neutrinos.

Le projet a mis en évidence l'importance de la collecte de lumière, de la sensibilité et des défis posés par le bruit dans les expériences à basse température. Alors que les équipes continuent de s'appuyer sur ces découvertes, il y a beaucoup d'espoir que des percées dans la compréhension de la nature des neutrinos et de la physique fondamentale soient réalisées.

Alors que la science continue d'avancer et d'améliorer les méthodes de détection, le potentiel de découvrir de nouvelles lois physiques reste une force excitante et motivante dans le domaine.