Les scientifiques de la collaboration MAJORANA recherchent des électrons qui enfreignent les règles

Dans une nouvelle étude publié dansPhysique naturelle, des scientifiques de la collaboration MAJORANA ont testé la rigueur de la conservation de charge et les principes d’exclusion de Pauli à l’aide de détecteurs souterrains. Alessio Porcelli a publié un Article d’actualité et d’opinions sur la recherche dans la même revue.

Aujourd’hui, le modèle standard de la physique des particules constitue l’un des deux piliers sur lesquels repose la physique moderne. Il explique avec succès trois des quatre forces fondamentales et le comportement des particules subatomiques.

Le principe d’exclusion de Pauli et la conservation de la charge sont deux des principes découlant des symétries du modèle standard. Ils ont résisté à de nombreux défis théoriques et ont fait leurs preuves à maintes reprises, au point où ils sont considérés comme des axiomatiques.

Aujourd’hui, les chercheurs pensent que de petites violations de ces principes pourraient conduire à une physique au-delà du modèle standard, comme par exemple des formes exotiques de matière.

La Collaboration MAJORANA est l’une de ces expériences. Le projet vise à explorer la double désintégration bêta sans neutrinos, un type de désintégration radioactive, dans l’espoir d’établir si les neutrinos sont des particules de Majorana.

La recherche est le fruit d’une collaboration internationale de scientifiques, dont le Dr Clint Wiseman de l’Université de Washington et le Dr Inwook Kim du Lawrence Livermore National Laboratory en Californie, co-auteurs de l’étude. Nature étude.

S’adressant à Phys.org, le Dr Wiseman a partagé sa motivation derrière cette quête : « Quand j’ai appris la mécanique quantique pour la première fois, on m’a appris à remettre en question les choses présentées comme des principes inébranlables. Les principes de la mécanique quantique, le fondement du modèle standard, sont fortement enracinées en nous parce qu’elles se sont révélées vraies à maintes reprises.

« Alors que nous recherchons des domaines de nouvelle physique à explorer au 21e siècle, il peut être intéressant de revenir sur ces principes et de tenter de repousser les limites de leur exactitude. »

Symétries, conservations et particules de Majorana

Le lien profond entre la symétrie et les lois de conservation a été révélé par la mathématicienne Emmy Noether. Selon le théorème de Noether, chaque loi de conservation est profondément liée à une symétrie sous-jacente dans la nature.

« Notre incapacité à créer ou à détruire une charge sans en tenir compte ailleurs est liée à une symétrie de ce type. L’incapacité de plus de deux électrons à partager le même état quantique représente une antisymétrie naturelle tout aussi importante qui joue un rôle essentiel dans le comportement à grande échelle de la matière atomique », a expliqué le Dr Wiseman.

S’il était démontré que ces principes étaient violés, cela signifierait la rupture des symétries fondamentales.

« Le fait que les photons soient vérifiés expérimentalement comme étant sans masse est souvent considéré comme la preuve que la conservation de la charge est fondamentalement valable. Cependant, les extensions théoriques du modèle standard, comme certains modèles de gravité quantique, pourraient potentiellement inclure des mécanismes qui violent la conservation de la charge.

« Le principe d’exclusion de Pauli est mathématiquement dérivé directement de la propriété antisymétrique des fonctions d’onde fermioniques. Comme dans le cas de la conservation de charge, cela pourrait être violé dans un cadre au-delà du modèle standard », a déclaré le Dr Kim à Phys.org.

Quel est le rapport avec le travail réalisé par le projet MAJORANA ? La particule Majorana, si elle existe, serait sa propre particule. Il s’agit pour l’instant d’une pure conjecture, mais le neutrino pourrait correspondre à la description.

Le neutrino est une particule très insaisissable, ce qui rend difficile la détection et l’étude de ses propriétés. L’une des choses que les scientifiques n’ont pas pu établir est s’il s’agit de sa propre antiparticule, c’est-à-dire une particule de Majorana.

Le projet MAJORANA travaille dans ce sens en recherchant un processus ultra-rare connu sous le nom de double désintégration bêta sans neutrinos.

Désintégration bêta et détecteurs souterrains

La désintégration bêta, comme mentionné précédemment, est un processus de désintégration radioactive. Au cours de ce processus, les neutrons se désintègrent en protons, en positrons (appelés particules bêta et antiélectrons) et en antineutrinos.

Le MAJORANA DEMONSTRATOR est constitué de détecteurs en germanium (Ge) de haute pureté en profondeur pour éviter les radiations, telles que les rayons cosmiques, qui pourraient interférer avec lui. Les détecteurs Ge sont très sensibles aux énergies libérées lors de ces réactions de désintégration bêta.

Dans une double désintégration bêta, nous avons deux désintégrations bêta se produisant simultanément et nous obtenons deux antineutrinos avec les protons et les particules bêta. Cependant, dans le cas sans neutrinos, nous n’observerions aucun neutrino, comme son nom l’indique.

En effet, si le neutrino était une particule Majorana, le neutrino issu d’une désintégration bêta annulerait les émissions de l’antineutrino (de l’autre désintégration), ce qui n’entraînerait aucune émission de neutrinos, ce que le démonstrateur MAJORANA est censé détecter.

L’ensemble de données récupéré par le réseau de détecteurs a servi de base aux chercheurs pour étudier les limites de la conservation de charge et le principe d’exclusion de Pauli.

Tester les limites

Les chercheurs se sont concentrés sur trois scénarios, le premier testant la conservation de la charge et les deux autres testant le principe d’exclusion de Pauli.

Commençons par le premier test : charger sans conservation. Dans ce scénario, les chercheurs exploraient la désintégration électronique au sein d’un atome de Ge. Si un électron devait se désintégrer, cela laisserait un vide dans l’orbitale de l’atome, qui est comblée par un électron provenant d’une orbitale différente.

Ce processus entraîne l’émission d’un photon ou d’un rayon X, indiquant que la charge est équilibrée. Cependant, l’absence d’émission indiquerait une non-conservation de la charge.

Pour le cas du principe d’exclusion de Pauli, les chercheurs se sont concentrés sur les interactions de type I et de type III des fermions (dans ce cas, des électrons).

Dans les interactions de type I, nous avons une interaction entre un électron nouvellement créé et un système de fermions. Cet électron est créé par production de paires à partir de rayons gamma.

L’objectif était maintenant d’observer si cet électron nouvellement créé occuperait une orbitale atomique entièrement complétée (comme c’est le cas pour les atomes de Ge), violant ainsi le principe d’exclusion de Pauli selon lequel les fermions occupent le même état. Si cela se produisait effectivement, ils observeraient une émission de rayons X.

Pour le dernier scénario, les interactions de type III, les interactions se produisent entre fermions dans le même système, c’est-à-dire entre électrons au sein de l’atome de Ge. Si un électron passait de manière inattendue de son orbitale à une autre orbitale remplie, un photon ou un rayon X serait émis, et le principe de Pauli serait en violation.

Fixer de nouvelles contraintes et former une LÉGENDE

Les chercheurs ont constaté que les trois scénarios se déroulaient comme prévu, sans aucune violation.

« Nous n’avons trouvé aucune preuve que ces principes soient violés, fixant des limites plus strictes aux nouvelles théories physiques. La limite de conservation des charges est la plus stricte de ce type depuis 1999 », a déclaré le Dr Wiseman.

La limite à laquelle le Dr Wiseman fait référence ici concerne la durée de vie moyenne de l’électron se désintégrant en trois neutrinos (ou matière noire), qu’ils ont établie comme étant supérieure à 2,83 × 1025 ans, ce qui indique la grande stabilité des électrons.

De plus, le Dr Kim a ajouté : « Notre constatation de l’absence de signature suggère que ces deux principes s’appliquent à une très grande précision, du moins dans la mesure où la technologie de pointe actuelle peut la détecter. Cela renforce encore notre confiance dans le validité de ces principes. »

L’ensemble de données MAJORANA DEMONSTRATOR s’est avéré incroyablement polyvalent. L’expérience s’étend en formant une collaboration plus large appelée LÉGENDE en fusionnant avec un autre détecteur basé sur Ge, Gerda.

« En faisant fonctionner des détecteurs de germanium haute résolution dans un environnement ultra-propre, LEGEND étudiera plus en détail diverses signatures inattendues au-delà de la physique du modèle standard », a déclaré le Dr Kim.

Le Dr Wiseman a conclu en disant : « Les résultats actuels valident la précision de la mécanique quantique et fournissent des contraintes plus strictes sur les efforts futurs visant à construire de nouvelles théories de la physique. Cela nécessitera plus d’imagination, ou comme le dit Feynman : de l’imagination dans une camisole de force.

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