La découverte incroyable : la désintégration du xénon-124
En 2019, dans un mystérieux laboratoire souterrain situé à 1,5 kilomètre sous le massif du Gran Sasso en Italie, un détecteur de matière noire a été témoin d’une découverte extraordinaire : la désintégration radioactive d’un atome de xénon-124. Ce phénomène est notable non seulement pour sa rareté, mais aussi pour la façon dont il défie notre compréhension du Temps. En effet, la demi-vie de ce xénon-124 est estimée à 1,8 × 10²² ans, soit 18 suivi de 21 zéros, ce qui représente un chiffre astronomique. Pour mettre cela en perspective, l’univers lui-même n’a que 13,8 milliards d’années, rendant le temps de désintégration du xénon-124 un billion de fois plus long.
Les chiffres relatifs à la demi-vie
La notion de “demi-vie” est un concept fondamental en physique nucléaire. Cela désigne le temps nécessaire pour que la moitié d’un échantillon d’atomes d’une substance radioactive se désintègre. Par exemple, le uranium-238 a une demi-vie de 4,5 milliards d’années. Dans le cas du xénon-124, cela signifie que pour qu’un groupe considérable d’atomes se désintègre, il lui faudrait 18.000 trillions d’années. Cependant, en ce qui concerne un atome individuel, sa désintégration est un événement complètement aléatoire, ne suivant aucune règle prévisible.
La méthodologie de l’expérience
Pour atteindre une telle précision, les chercheurs ont utilisé un réservoir contenant 3,2 tonnes de xénon liquide ultrapur. Ce projet, connu sous le nom de XENON1T, a été mené au Laboratoire National du Gran Sasso. Le but principal de ce détecteur était de rechercher des particules hypothétiques appelées WIMP (Particules Massives Interagissant Faiblement) liées à la matière noire.
Le laboratoire est conçu de manière à éliminer toute forme de radiations cosmiques pour garantir la précision des mesures. Ainsi, lorsqu’il a capté la désintégration d’un atome de xénon-124, les scientifiques ont réalisé qu’ils assistaient à un des événements les plus rares jamais observés.
Un événement rare : les implications
Il ne s’agit pas d’une exagération : cette réalisation représente un jalon dans le domaine de la physique expérimentale. La probabilité qu’un atome de xénon-124 se désintègre en un an est considérée comme négligeable. Pourtant, le détecteur contenait environ 10.000 billons de billons d’atomes de xénon dans les deux tonnes d’échantillon analysé. Grâce à ce nombre colossal, la probabilité qu’au moins un atome se désintègre pendant la période d’observation a considérablement augmenté.
Durant 177 jours de collecte de données, l’équipe a réussi à observer non pas un, mais 126 événements, confirmés comme des désintégrations de xénon-124, conformément aux modèles théoriques de la physique des particules, mais pratiquement indétectables dans la pratique.
La nature de la désintégration
La désintégration du xénon-124 s’opère lorsque son noyau capte simultanément deux électrons. Ce processus conduit deux protons à se transformer en neutrons, changeant ainsi l’atome en télure-124. L’énergie libérée est absorbée par deux neutrinos, qui échappent à toute détection.
Les photomultiplicateurs du XENON1T ont détecté les conséquences de cette désintégration un total de 126 fois. Cela se manifeste par une cascade de rayons X et d’électrons Auger, générés lorsque les électrons des couches supérieures du xénon-124 tombent pour occuper les trous laissés par les deux électrons capturés. Cette signature énergétique est le « flash » révélant cet événement d’une extrême rareté.
Les résultats et leur portée
Les implications de cette observation vont bien au-delà de la simple découverte. Bien que la recherche de matière noire n’ait pas abouti, la détection a prouvé que XENON1T peut capter des signaux extrêmement faibles et rares, confirmant ainsi sa conception. L’observation fournit également des données expérimentales essentielles pour tester et améliorer les modèles théoriques qui décrivent la structure et la stabilité des noyaux atomiques.
Cependant, l’idée derrière cette découverte va même plus loin : elle constitue un premier pas vers un objectif ambitieux : détecter des captures de double électron sans neutrinos. Si un tel processus hypothétique était observé, cela démontrerait que les neutrinos sont leurs propres antiparticules, connues sous le nom de particules de Majorana. Cela pourrait apporter des réponses essentielles au mystère de la prévalence de la matière sur l’antimatière dans notre univers.
Cette expérience au sein du XENON1T illustre le rôle essentiel de la recherche fondamentale en physique. Chaque découverte, quelle que soit sa portée immédiate, ouvre des portes vers de nouvelles questions et explorations, renforçant notre compréhension des lois qui régissent notre cosmos.