Double décroissance beta sans émission de neutrinos, percée majeure dans plusieurs domaines de la physique

Publié par Redbran le 30/11/2020 à 13:00
Source: CNRS IN2P3
Double décroissance beta sans émission de neutrinos: une meilleure prise en compte de la complexité de la structure nucléaire promet d'améliorer sa prédiction

L'observation de la double décroissance beta sans émission de neutrinos est une quête poursuivie par des scientifiques du monde (Le mot monde peut désigner :) entier. En effet, cette observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) représenterait une percée majeure dans plusieurs domaines tels que la physique nucléaire (La physique nucléaire est la science qui étudie non seulement le noyau atomique en tant...), la physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants...), la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) des neutrinos et la cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système...). Une étape importante pour la description théorique de ce phénomène vient d'être franchie par des chercheurs de l'IJCLab, en collaboration avec leurs collègues du LNS-INFN en Italie et de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Caroline du Nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) aux USA. Leurs résultats sont publiés dans Physical Review Letters.


Figure 1: Le noyau de ⁴⁸Ca se transforme en ⁴⁸Ti lors d'une double décroissance beta: deux neutrons se transforment alors en protons avec émission de deux électrons. Crédit image: B. Alex Brown.

La double décroissance beta sans émission de neutrinos implique que les neutrinos soient égaux à leurs antiparticules, ce que les physiciens appellent des particules de Majorana. En physique des particules, la mise en évidence de ce phénomène montrerait l'existence d'une "nouvelle physique" au-delà du modèle standard, puisque cela impliquerait une violation de la conservation du nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) leptonique total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un...). Cette décroissance particulière pourrait également être reliée à l'asymétrie (L'asymétrie est l’absence de symétrie, ou son inverse. Dans la nature, les crabes...) entre matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) et antimatière (L'antimatière est l'ensemble des antiparticules des particules composant la matière...) et aurait un grand impact en cosmologie.

Pour prédire la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) de cette désintégration, certaines quantités (que l'on appelle éléments de matrice nucléaires) sont nécessaires, qui ne peuvent être obtenues qu'à travers des calculs de structure nucléaire (La connaissance de la structure des noyaux atomiques, ou structure nucléaire est un des...) dans le cadre de modèles théoriques pour le traitement des systèmes à N corps. Malheureusement, jusqu'à aujourd'hui, les tentatives de prédiction à partir de simulations faites pour la douzaine de noyaux identifiés comme possibles sources de ce phénomène montrent des désaccords importants.

Des modèles théoriques mis à mal

Ces désaccords sont liés à la façon dont chaque modèle théorique appréhende la complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par...) de la structure nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :). La fiabilité (Un système est fiable lorsque la probabilité de remplir sa mission sur une durée...) de chacun d'eux peut néanmoins être mise à l'épreuve en testant leur capacité à bien décrire des modes d'excitation dits de Gamow-Teller, reliés à l'échange de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) au sein d'un noyau. Ces excitations gouvernent les probabilités de décroissance beta et sont accessibles expérimentalement avec des réactions nucléaires réalisées auprès d'accélérateurs.

Il s'avère que tous les modèles disponibles doivent recourir à des ajustements ad hoc pour reproduire ces données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) expérimentales. Dans le cas particulier du noyau 48Ca, qui est l'un des émetteurs possibles pour la double décroissance beta sans émission de neutrinos, le désaccord entre la mesure expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes...) et les prédictions théoriques disponibles du spectre d'excitation Gamow-Teller est même très fort.

Nouveau type de modèle

Récemment, une collaboration internationale a développé un nouveau modèle, qui permet un traitement réaliste du mouvement cohérent des nucléons au sein du noyau, dans le cadre des théories des fonctionnelles de la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...). Ces théories, couramment utilisées aussi en chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) et en matière condensée, sont conçues et développées pour le traitement des systèmes à N corps.

Ce modèle sophistiqué prend en compte explicitement le couplage entre des configurations complexes dans le noyau (reliées aux corrélations existantes entre les nucléons) qui étaient jusqu'ici négligées. Pour la première fois, la mesure expérimentale du spectre Gamow-Teller dans le noyau 48Ca a été reproduite sans ajustements (figure 2). Cette prouesse a été réalisée en collaboration entre des chercheurs de l'IJCLab à Orsay, du LNS-INFN de Catane (Catane (Catania) est une ville de la province du même nom en Sicile en Italie. C'est la...) en Italie et de l'Université de Caroline du Nord aux États-Unis.

Ces résultats, publiés récemment dans Physical Review Letters, sont une étape importante pour le calcul des éléments de matrice nécessaires à la double décroissance beta sans émission de neutrinos, qui sera le prochain défi de ce modèle théorique.


Figure 2: Panneau (a): comparaison entre la mesure expérimentale d'excitation Gamow-Teller (GT) dans le noyau de ⁴⁸Ca et deux fonctions de réponse théoriques qui décrivent le même spectre d'excitation. Le spectre expérimental GT(-) (réaction d'échange de charge où un neutron (Le neutron est une particule subatomique de charge électrique totale nulle.) se transforme en proton) est extrait de K. Yako et al., Phys. Rev. Lett.103, 012503 (2009) et est représenté par des points noirs. La fonction de réponse théorique obtenue dans cette nouvelle étude est appelée SSRPA et est représentée par une courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du...) bleue. Pour comparaison, une fonction de réponse obtenue avec un modèle simplifié (dénommé RPA) est aussi incluse (pointillés rouges). Le panneau (b) montre les fonctions de réponses du panneau (a) (strength) intégrées (cumulées) jusqu'aux énergies d'excitation représentées dans l'axe horizontale. La figure est extraite de Phys. Rev. Lett. 125, 212501 (2020).

Ces résultats, publiés récemment dans Physical Review Letters, sont une étape importante pour le calcul des éléments de matrice nécessaires à la double décroissance beta sans émission de neutrinos, qui sera le prochain défi de ce modèle théorique.

Bibliographie:
D. Gambacurta, M. Grasso, and J. Engel, “Gamow-Teller Strength in 48Ca and 78Ni with the Charge-Exchange Subtracted Second Random-Phase Approximation (Une approximation est une représentation grossière c'est-à-dire manquant de...)”, Phys. Rev. Lett. 125, 212501 (2020).

Pour en savoir plus:
Actualités publiées par l'IN2P3 (L'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) est un institut de...) sur les expériences de la double désintégration beta sans émission de neutrinos:
- "CUPID-Mo tient ses promesses dans la quête de la double désintégration beta sans émission de neutrinos " (17 juillet 2020)
- "Recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) de désintégrations rares: les cristaux à base de molybdène (Le molybdène est un élément chimique, de symbole Mo et de numéro atomique 42.) à l'essai au laboratoire souterrain de Modane " (7 janvier 2020)

Contacts:
- Marcella Grasso - Physicienne - grasso at ipno.in2p3.fr
- Fanny Farget - DAS Nucléaire et applications - fanny.farget at in2p3.fr
- Jennifer Grapin - Chargée de communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) - jennifer.grapin at cnrs (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...).fr
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