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NEMO

La radioactivité bêta, connue depuis près d’un siècle, correspond à l’émission spontanée par un noyau d’un électron, accompagné d’une particule neutre appelée le neutrino. Cette particule peut traverser la Terre sans interagir, ce qui explique que certaines de ses propriétés soient encore inconnues, alors qu’elle est très abondante dans l’univers !

Pour certains noyaux, comme le molybdène-100 (100Mo), cette désintégration est impossible puisque leurs noyaux fils par la désintégration bêta sont plus lourd. Ils doivent alors se désintégrer par la double désintégration bêta très rare qui s’apparente à deux désintégration bêta simultanées. Selon certaines théories, le neutrino pourrait être identique à son anti-particule (E. Majorana - 1936) et un nouveau type de désintégration extrêmement rare serait alors possible (W. H. Furry - 1939) : la double désintégration bêta sans émission de neutrinos !

C’est l’objet de recherche des expériences NEMO : tenter de mettre en évidence cette nouvelle forme de radioactivité par l’émission spontanée par un noyau précis de deux électrons uniquement. La mise en évidence de cette radioactivité prouverait que le neutrino est identique à son anti-particule (particule de Majorana) et donnerait des indications sur sa masse très faible et toujours inconnue. Les neutrinos de Majorana très massif pourraient également avoir joué un rôle fondamental lors de la création des particules élémentaires durant le Big-Bang et qui pourrait expliquer l’asymétrie matière-antimatière observée aujourd’hui.

L’expérience NEMO-3 a recherché cette double désintégration bêta sans émission de neutrinos de 2003 à 2011 dans le Laboratoire Souterrain de Modane (dans le tunnel routier du Fréjus entre la France et l’Italie) sous 1.7 km de roche pour se protéger du rayonnement cosmique. Malheureusement elle n’a pas permis de mettre en évidence cette désintégration encore plus rare que ce qu’il était possible d’observer avec NEMO-3. Cependant les limites posées sont parmi les meilleures mondiales aujourd’hui encore.

Le détecteur NEMO-3 était constitué principalement de feuilles minces de 100Mo (7 kg) et de 82Se (1 kg), disposées verticalement suivant un cylindre, comportant de part et d’autre un détecteur de traces à 3 dimensions et un calorimètre segmenté pour mesurer respectivement les trajectoires et les énergies des électrons émis lors de la désintégration. Tous les matériaux constituants le détecteur ont été sélectionnés au préalable pour leurs très faibles niveaux de radioactivité. L’ensemble du détecteur était entouré de fer (20 cm) et d’eau (30 cm) pour se protéger des rayonnement gamma et neutron résiduels dans le laboratoire. Une électronique complexe permettait d’enregistrer les informations provenant des 6 180 cellules Geiger du détecteur de traces et des 1 940 photomultiplicateurs de basse radioactivité couplés aux scintillateurs plastiques du calorimètre. La calibration et le suivi de la stabilité des détecteurs étaient assurés par l’introduction régulière de sources d’électrons de conversion (207Bi) et d’un dispositif laser avec fibres optiques.

A la suite de ces résultats très encourageants, la collaboration internationale regroupant 9 pays, s’est donc lancée dans la construction d’une expérience encore plus sensible : SuperNEMO. Toutes les caractéristiques cruciales pour la recherche de la double désintégration bêta sans émission de neutrinos avec NEMO-3 ont été améliorées après plusieurs années de R&D : choix d’un isotope produisant moins de bruit de fond par double désintégration bêta avec émission de neutrinos, réduction des bruits de fonds de la radioactivité naturelle (214Bi, 208Tl, 222Rn) dans les sources et dans le détecteur de traces, amélioration de la résolution en énergie du calorimètre, électronique échantillonnant les signaux des photomultipicateurs et masse d’isotope étudié jusqu’à 100 kg.

Avant d’atteindre une telle masse qui nécessite de construire une vingtaine de détecteurs et pour s’assurer d’avoir atteint l’ensemble des objectifs, un premier détecteur appelé le démonstrateur de SuperNEMO est en cours de construction. Il devrait prendre ses premières données de physique d’ici l’été 2015 à la place de NEMO-3 dans le LSM. Il étudiera 7 kg de 82Se et permettra d’atteindre la sensibilité de NEMO-3 en seulement 5 mois et d’améliorer d’un facteur 6 ou 7 la limite posée par NEMO-3 en deux ans et demi, si aucun signal de double désintégration bêta sans émission de neutrino est observé.

Pour accueillir les détecteurs suivants, une extension du Laboratoire Souterrain de Modane a été approuvée et devrait commencer à être creusée fin 2014.

Démonstrateur SuperNEMO dans le LSM

Dernière mise à jour : MB - 31/03/2014