Déterminer la nature du neutrino avec le paladium 110 ?

En mesurant avec précision les masses des noyaux de 110Pd (paladium-110) et de 110Cd (cadmium-110), les physiciens de la collaboration Isoltrap au Cern, qui implique l'IN2P3/CNRS (1), ont pu déterminer l'énergie qui correspondrait à la désintégration double bêta du 110Pd sans émission de neutrino. Ce mode de décroissance a priori rarissime serait décisif pour déterminer si le neutrino est une particule dite "de Majorana", à savoir qu'il est sa propre antiparticule. De nouvelles générations de détecteurs constitués de 110Pd pourraient alors voir le jour dans les expériences dédiées à l'étude du neutrino. Ces résultats ont fait l'objet d'une publication dans la revue Physical Review Letters.

Le neutrino peut être traqué lors d'événements extrêmement rares: c'est le cas de la double désintégration bêta, où au lieu d'un seul électron et d'un antineutrino comme dans la désintégration bêta classique, ce sont simultanément deux électrons et deux antineutrinos qui sont émis. Cette désintégration, spécifique seulement d'une trentaine de noyaux atomiques, survient si rarement qu'il faut attendre de l'ordre de 10 milliards de milliards d'années pour que la moitié d'un échantillon de matériau (susceptible de subir cette désintégration) se soit désintégré de cette manière. Mais les physiciens, par exemple ceux de l'expérience Nemo au LSM (2), essaient de détecter des événements encore plus rares où seuls deux électrons seraient émis: il s'agit de la double désintégration bêta sans émission de neutrino qui, si ce processus existe, prouverait que le neutrino serait identique à son antiparticule, contrairement à toutes les autres particules élémentaires.

Tout comme le molybdène-100 ou le sélénium-82 utilisés dans certaines expériences actuelles dédiées à l'étude du neutrino, le paladium-110 est propice à la désintégration double bêta mais son atout réside en sa durée de vie, qui s'avère plus courte. Utiliser du 110Pd dans les détecteurs augmenterait alors les chances de détecter des événements issus de la double désintégration bêta sans émission de neutrino. Autre avantage: l'isotope 110Pd est relativement abondant dans la nature.

La signature de la décroissance double bêta du 110Pd sans émission de neutrino se traduirait par une accumulation de désintégrations à une énergie (valeur Q) correspondant à la différence de masse entre le 110Pd et le 110Cd produit lors de cette désintégration.

Les chercheurs de la collaboration Isoltrap ont pesé avec une grande précision les noyaux de 110Pd et de 110Cd. Les masses de ces deux isotopes ont été mesurées dans le piège de Penning d'Isoltrap à l'aide d'une nouvelle technique basée sur l'utilisation d'un laser pour désorber (3) des atomes de Pd et de Cd déposés sur une feuille. Les mesures de masses obtenues ont ainsi permis de déterminer la valeur de l'énergie Q, soit 2017,85 (64) keV.

La collaboration a également sollicité l'aide de théoriciens de l'Université de Yale (États-Unis), de l'Universidad de Concepcion (Chili) et de l'Université Comenius (Bratislava).

Les résultats théoriques couplés aux mesures de masses permettent d'envisager la conception de nouvelles générations de bolomètres pour la détection double bêta.

Isoltrap est une collaboration entre le Max Planck Institut fuer Kernfysik de Heidelberg, l'Université de Dresde, le GSI, le Cern, l'Université de Greifswald et l'IN2P3/CNRS (CSNSM).


Notes:

(1) Laboratoire impliqué: Centre de spectrométrie nucléaire et de spectrométrie de masse - CSNSM (CNRS / Université Paris Sud).

(2) Laboratoire souterrain de Modane (CNRS / CEA).

(3) La désorption est le processus inverse de l'adsorption. L'adsorption correspond à une interaction entre un ion ou une molécule et une surface solide. La désorption met en jeu la rupture des liaisons entre ion ou molécule et surface adsorbante.