L’héritage du démonstrateur Majorana

Pendant près de six ans, le démonstrateur Majorana a écouté tranquillement l’univers. Près d’un mile sous terre au Sanford Underground Research Facility (SURF), à Lead, dans le Dakota du Sud, l’expérience a recueilli des données qui pourraient répondre à l’une des questions les plus déroutantes de la physique : pourquoi l’univers est-il rempli de quelque chose au lieu de rien ?

Avec la publication des résultats finaux de l’expérience, l’humanité est sur le point de trouver cette réponse.

Le 10 février 2023, la collaboration Majorana a publié ses résultats finaux en Lettres d’examen physique. L’expérience s’est déroulée de 2015 à 2021 et a été gérée par le Laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL) pour le Bureau de physique nucléaire du Département américain de l’énergie avec le soutien de la National Science Foundation.

Les résultats finaux prouvent que les techniques utilisées par la collaboration pourraient être déployées à une échelle beaucoup plus grande pour rechercher la désintégration rare et inédite qui pourrait aider à expliquer l’existence de la matière dans notre univers.

« Le but du démonstrateur Majorana était de prouver que la conception et la technologie de notre détecteur étaient suffisamment avancées pour justifier la création d’une expérience à l’échelle de la tonne », a déclaré Vincente Guiseppe, co-porte-parole de la collaboration Majorana et membre du personnel de recherche de l’ORNL. « Ce document – l’aboutissement de six années de données et le dernier mot sur le démonstrateur Majorana – prouve que nous avons atteint ce que nous avions prévu de faire. »

« La SDSTA félicite la Majorana Collaboration pour cette réalisation majeure », a déclaré Mike Headley, directeur exécutif de la South Dakota Science and Technology Authority, qui exploite SURF. « Le démonstrateur Majorana faisait partie de la suite initiale d’expériences de SURF, et ce résultat final reflète l’installation de classe mondiale et le soutien exceptionnel que nous nous efforçons de fournir pour les expériences à SURF. »

Alors que l’accent est mis sur l’expérience de nouvelle génération, la collaboration revient sur un succès qui était loin d’être garanti il ​​y a dix ans.

La question

Le démonstrateur Majorana est lié à l’une des plus grandes questions sans réponse de la physique des particules : « Pourquoi la matière existe-t-elle dans l’univers, alors que tout ce que nous savons sur la physique dit qu’elle ne devrait pas ? »

Selon la théorie, le Big Bang aurait dû créer à parts égales de la matière et de l’antimatière, des substances qui s’annihilent en se rencontrant, ne laissant dans leur sillage que de l’énergie pure et, théoriquement, un univers vide. Malgré cette prédiction, nous nous trouvons au milieu d’un univers rempli de matière. Une règle inconnue et cachée de la Nature a dû faire pencher la balance en faveur de la matière.

Une hypothèse principale prédit que les particules subatomiques fantomatiques appelées neutrinos avaient autrefois des partenaires super lourds dont les désintégrations dans l’univers primitif ont donné lieu au déséquilibre de la matière et de l’antimatière que nous voyons aujourd’hui. Cette hypothèse prédit également que les neutrinos peuvent agir comme leur propre antiparticule (également connue sous le nom de « particule de Majorana »). Si ce trait étrange est observé, cela pourrait étayer l’hypothèse et résoudre ce mystère.

« Une particule de Majorana est une particule qui ne se distingue pas de son partenaire antimatière. Cela la distingue de toutes les autres particules », a déclaré Guiseppe. « Avec le démonstrateur Majorana, nous recherchons cette particule pour induire un événement rare appelé désintégration double bêta sans neutrinos. »

À quel point cette désintégration proposée est-elle rare ? Pour l’observer dans seulement deux atomes, il faudrait attendre plus de 1 026 ans.

« Si nous observons un seul atome, attendant anxieusement qu’il se désintègre, nous devrions l’observer plus longtemps que l’âge de l’univers. Pour gagner ce jeu, nous devons augmenter la masse que nous observons », a déclaré Guiseppe.

Les chercheurs savaient qu’il était peu probable qu’ils détectent une désintégration double bêta sans neutrinos avec une quantité de masse dans le démonstrateur Majorana. La collaboration était dans une compétition mondiale avec d’autres expériences de la génération actuelle pour démontrer leur conception et leur technologie de détecteur et pour obtenir une offre pour l’expérience de nouvelle génération à grande échelle.

Cette vidéo accélérée montre la Majorana Collaboration construisant le bouclier de détection dans une salle blanche au niveau 4850 de SURF. Crédit : Matthieu Kapust

La caverne

En 2010, Cabot-Ann Christofferson, une chimiste de South Dakota Mines avec le Majorana Demonstrator, a balayé sa lampe frontale à travers la galerie à près d’un mile sous terre, regardant la poussière flotter à travers le faisceau de lumière. Le sol était glissant de boue et l’air était chaud, chargé d’humidité. Elle s’est demandé : « Comment cela sera-t-il jamais le laboratoire dont nous avons besoin ? »

Parce que le signal recherché par la collaboration était si faible, leur détecteur a dû être construit à SURF, où 4 850 pieds de roche protégeraient le détecteur des « bruits de fond » indésirables comme les rayons cosmiques à la surface de la Terre.

Le détecteur interne du démonstrateur Majorana consistait en 30 kilogrammes d’un isotope enrichi de germanium suspendu par des cordes de cuivre ultrapur et enfermé dans une cuve cryostatique surfondue. Ce détecteur interne était dissimulé derrière d’autres couches de blindage, dont une couche de 108 000 livres (54 tonnes) de plomb. Cette structure serait dans une salle blanche avec aussi peu que 100 particules de poussière par pied cube. En raison de la sensibilité du démonstrateur Majorana, même quelques particules de poussière ou une seule perle de sueur humaine produiraient suffisamment de rayonnement de fond pour rendre le détecteur inutile.

Les équipes de SURF ont été chargées de transformer l’ancienne mine et son infrastructure centenaire en laboratoire scientifique souterrain le plus profond des États-Unis, capable de répondre aux normes élevées de la recherche moderne. Et les normes étaient vraiment élevées.

Mais SURF a été investi dans le succès de l’expérience ; des équipes de scientifiques, d’ingénieurs et de techniciens d’infrastructure ont travaillé en étroite collaboration avec la collaboration pour créer un espace sur mesure pour l’expérience. « Chaque détail de la conception de l’installation reflétait les protocoles de propreté et l’environnement requis par l’expérience pour atteindre leurs objectifs scientifiques », a déclaré Jaret Heise, directeur scientifique de SURF.

Le sol était renforcé pour supporter le poids du lourd bouclier de plomb. Le sol en béton a été créé en une seule coulée, garantissant qu’aucune couture n’interférerait avec l’aéroglisseur utilisé pour transporter les modules de détection dans la salle blanche. Les parois rocheuses en lambeaux ont été recouvertes de béton projeté et ont reçu une finition lisse pour un nettoyage facile.

« La salle blanche de Majorana est l’espace de laboratoire le plus propre de SURF », a déclaré Heise, notant que les protocoles de nettoyage du laboratoire ont été informés par des experts mondiaux des opérations en salle blanche. « Dans ce laboratoire, vous devez nettoyer selon un processus détaillé, plutôt que selon un repère visuel, car vous nettoyez souvent des saletés invisibles. »

Le cuivre

Avec la construction de la caverne en cours, la collaboration s’est mise au travail sur un processus minutieux qui s’est avéré être la marque du succès de l’expérience : l’électroformage du cuivre le plus pur au monde.

« Nous étions dans une compétition mondiale avec d’autres expériences, sans perdre de temps, nous avons donc commencé l’électroformage dans une salle blanche temporaire au niveau 4850, avant la construction de notre caverne permanente », a déclaré Christofferson.

L’électroformage est un processus incroyablement lent où les pépites de cuivre sont d’abord dissoutes dans un « bain » d’acide sulfurique ultra-pur. Un courant électrique tire le cuivre, ion par ion, sur la surface d’un cylindre métallique. Le processus forme lentement une couche de cuivre d’une pureté exquise à raison d’un millimètre par mois, ne laissant aucune trace d’impuretés.

« Le processus d’électroformage crée un cuivre si pur – un pourcentage avec tant de neuf à la fin – que la pureté ne pouvait même pas être mesurée au début de l’expérience en 2011 », a déclaré Christofferson. « Aujourd’hui, la technologie a progressé et nous pouvons mesurer la pureté en parties par quadrillion. »

En cinq ans, plus de cinq mille livres de cuivre ont été cultivées, puis usinées en composants de détecteur à l’aide d’outils dédiés dans un atelier d’usinage souterrain.

L’attente

En 2015, la caverne était méconnaissable : le détecteur était scellé derrière une forteresse en briques de plomb ressemblant à un château dans un laboratoire lumineux aux murs blancs, recueillant silencieusement des données.

Pourtant, les questions persistaient. Leurs efforts seraient-ils suffisants pour éliminer le bruit de fond ? Ce nouveau laboratoire souterrain pourrait-il soutenir une science de classe mondiale ? Avec la publication des premiers résultats en 2017, les réponses sont arrivées.

Bien qu’il n’ait pas détecté la désintégration des particules, le démonstrateur Majorana a prouvé qu’une expérience à plus grande échelle – une expérience de plus de 33 fois sa taille – pourrait être en mesure de le faire.

« Nous avons créé un environnement si propre et si pur que nous n’avons vu aucun événement candidat dans nos données initiales causé par des arrière-plans », a déclaré Guiseppe lors de la publication des premiers résultats. « Nous devons continuer à exploiter le démonstrateur pour étudier ses performances et mieux estimer les bruits de fond. »

L’impact

Après leur premier essai scientifique, la collaboration s’est poursuivie, affinant la conception de leurs détecteurs et leurs techniques d’analyse.

« Même si nous visons le moins d’événements possible, nous avons en fait des centaines de téraoctets de données à analyser », a déclaré Ian Guinn, coordinateur de l’analyse de Majorana et postdoctorant à l’Université de Caroline du Nord (UNC)-Chapel Hill. « Nous avons dû affiner nos techniques d’analyse pour distinguer les différents types de signaux, supprimer les bugs en cours de route et nous assurer que nos processus sont fiables sur cinq ans de collecte de données. C’était un grand défi. »

Avec ce riche ensemble de données, la collaboration a été multitâche, ajoutant des recherches exotiques sur la matière noire à son répertoire, ainsi que des recherches d’interactions possibles au-delà du modèle standard de la physique des particules. La collaboration a publié 27 articles scientifiques, dont six en 2022 et trois jusqu’à présent en 2023, avec des articles supplémentaires attendus.

Le démonstrateur Majorana a également fourni un environnement pour des dizaines d’étudiants de premier cycle et plus de 25 doctorants. candidats à acquérir de l’expérience dans la conception, la construction et l’analyse d’une expérience de classe mondiale.

« Majorana a servi de terrain de formation à une génération de jeunes physiciens exceptionnels », a déclaré John Wilkerson, chercheur principal de l’expérience et professeur de physique à l’UNC-Chapel Hill. « Et je pense que l’expérience de nos étudiants et post-doctorants qui ont pu travailler sous terre était vraiment fantastique. »

Plus de 40 étudiants universitaires du Dakota du Sud ont participé directement à l’expérience.

« Des étudiants de l’État rural du Dakota du Sud ont travaillé aux côtés de scientifiques de renommée mondiale », a déclaré Christofferson. « Sans un laboratoire comme celui-ci, les étudiants ne seront pas exposés à ce niveau de science à grande échelle. »

L’avenir

Le démonstrateur Majorana a achevé sa course scientifique en 2021. Les triomphes de la collaboration, décrits dans leur récente publication, incluent une résolution énergétique de pointe et une confirmation que la demi-vie de la désintégration double bêta sans neutrinos dans le germanium-76 est supérieure à 8,3 × 1 025 ans, soit plus d’un million de milliards de fois l’âge de l’univers.

Sous les Apennins italiens, des chercheurs du Laboratoire national du Gran Sasso (LNGS) étudiaient également la désintégration double bêta sans neutrinos, en utilisant une approche légèrement différente avec GERDA (GERmanium Detector Array). Ensemble, ces deux expériences ont atteint les bruits de fond les plus bas de toutes les expériences de désintégration double bêta sans neutrinos dans le monde. Maintenant, les deux s’associent pour se développer.

« Les deux expériences ont adopté des approches différentes pour la même recherche », a déclaré Guinn. « En combinant ce qui s’est avéré être les meilleures idées de chacun, nous pouvons créer une expérience encore plus sensible. »

L’expérience de nouvelle génération, baptisée LEGEND (Large Enriched Ge Experiment for Neutrinoless bb Decay), utilisera à terme une tonne de germanium enrichi pour mener les recherches. En augmentant de manière exponentielle, LEGEND pourrait être en mesure de forcer le neutrino à montrer sa main.

« Lorsque nous avons lancé ce projet, il y avait de nombreux risques et aucune garantie que nous puissions atteindre nos objectifs, car nous poussions en territoire inexploré », a déclaré Wilkerson. « Aujourd’hui, nous sommes un peu plus près de comprendre le déséquilibre dans l’univers et pourquoi nous existons. »