Laboratoire de physique subatomique et des technologies associées

Résolution en énergie au Qββ du 136Xe: nouveau record du monde avec du xénon liquide pour l'expérience XENON1T

Avec le niveau de bruit de fond le plus bas jamais atteint par une chambre à projection temporelle au xénon liquide, XENON1T s'est avéré être l'expérience de détection directe de matière sombre la plus sensible sur terre pour des candidats ayant une masse supérieure à 3 GeV/c2. 
Bien que XENON1T ait été principalement conçue pour rechercher des reculs nucléaires entre des particules massives interagissant faiblement (Weakly Interacting Massive Particles, WIMPs) et des atomes de xénon à des énergies de l’ordre du keV, le niveau sans précédent de radioactivité atteint a rendu l’expérience XENON1T également adaptée pour d’autres recherches d’événements rares issus de reculs électroniques à faibles O(keV) et aussi plus hautes O(MeV) énergies. Parmi ces recherches, la désintégration double beta sans émission de neutrino (0ν2β) du 136Xe recouvre un intérêt particulier car l’observation d'une telle décroissance radioactive permettrait d’accéder à l’échelle de masse du neutrino et de répondre à une des grandes questions actuelles de la physique des particules : quelle est la nature des neutrinos ? Sont-ils des particules de Dirac (particule et antiparticule sont deux états distincts) ou de Majorana (particule et antiparticule sont le même état) ?  Avec le but de répondre à cette question, les membres de l’équipe Xénon de SUBATECH sont très engagés dans l’analyse de la 0ν2β au sein de la Collaboration XENON. En particulier, le travail de thèse de Chloe Therreau a mené au résultat majeur montré sur la couverture de EPJC 80/08 dans l’image ci-après (lien vers l'article).

Avant ce travail, les chambres à projection temporelle double phase au xénon, conçues pour rechercher des WIMPs, étaient caractérisées par une détérioration de la résolution en énergie pour les énergies de recul électronique supérieures à ∼100 keV. Dans l'expérience XENON1T, nous avons développé une méthode de correction du signal qui a permis de bien reconstruire les signaux d'intérêt dans une plus large gamme d'énergie. En particulier, nous avons démontré qu'à l’énergie du signal de la 0ν2β du 136Xe (~2,46 MeV), la résolution en énergie relative (à 1-?) est aussi basse que (0,80 ± 0,02)%. L’excellent résultat de XENON1T ouvre de nouvelles fenêtres pour les détecteurs double phase au xénon pour la recherche simultanée de matière noire et d'autres événements rares.

Fête de la science 2020

La 29ème édition de la Fête de la Science s'est déroulée dans la Halle 6 Ouest de Nantes du 9 au 11  octobre avec pour thème « Quelle relation entre l’humain et la nature ? » . Mais, comme toujours, de nombreuses autres thématiques étaient au programme. Malgré le contexte particulier lié au Covid, une vingtaine d'établissements, associations et laboratoires dont Subatech, ont répondu présent et ont su s'adapter aux contraintes avec beaucoup de bonne volonté et de bonne humeur! Une équipe dynamique de chercheurs et thésards de Subatech a fait découvrir aux visiteurs le fonctionnement d'une chambre à brouillard et l'expérience KM3NeT.
Le public a été au rendez-vous : la manifestation a fonctionné à guichet fermé pendant tout le week-end, accueillant plus de 1000 participants du vendredi au dimanche. La jauge réduite a permis une qualité de visite qui a été particulièrement appréciée par l'audience.

Neutrinos : le meilleur est à venir

Le succès de l'expérience Double Chooz, avec sa dernière publication dans Nature Physics [1], pour laquelle l’équipe Neutrino¹ du laboratoire SUBATECH (CNRS/Université de Nantes/IMT Atlantique) a fortement contribué, pousse à étudier, en partenariat direct avec EDF, la possibilité de relancer la recherche fondamentale et même l’innovation sur le site de la centrale nucléaire de Chooz (Ardennes, France). Chooz est de fait le meilleur site en Europe pour la physique fondamentale des neutrinos des réacteurs et ses potentielles applications en matière de sûreté nucléaire.
La nouvelle technologie “LiquidO” [2] pourrait être le concept innovant, rompant avec la détection traditionnelle des neutrinos, permettant de conférer une nouvelle impulsion à ce site.  Cependant, cette fois-ci, la possibilité d’un partenariat entre EDF et le CNRS offre une opportunité unique d'exploration. Notre défi est de découvrir si toutes les conditions sont réunies pour faire de cette opportunité un nouveau projet international pour la science des neutrinos.
L'équipe Neutrino est fortement engagée dans le projet LiquidO, lequel est pour l’instant dans une phase de R&D prometteuse. Un petit « avant-goût » de ce qui est à venir a été résumé par Mathieu Grousson (journaliste scientifique) après un entretien avec l’équipe LiquidO de l’iN2P3 pour le Journal du CNRS : https://lejournal.cnrs.fr/articles/neutrinos-le-meilleur-est-a-venir 

[1] https://rdcu.be/b3FE4
[2] https://www.appec.org/news/the-novel-liquido-technology

¹ L’équipe neutrino de SUBATECH participe aux expériences des neutrinos des réacteurs : Double Chooz (France), , JUNO (Chine), SoLid (Belgique) et contribue à la R&D LiquidO.  Elle est également impliquée dans une expérience des neutrinos atmosphériques et cosmiques KM3Net (France, Italie). Les objectifs scientifiques de l’équipe sont de chercher à contraindre et compléter la théorie du Modèle standard dans le secteur leptonique, d’étudier la possibilité de nouvelle physique (au-delà du Modèle standard) et de rechercher et d’étudier des sources astrophysiques de neutrinos.