Les neutrinos sont des particules fantomatiques inventées en 1930 par Wolfgang Pauli dans une tentative désespérée pour sauver le principe de conservation de l’énergie dans la désintégration bêta. Ces particules existent bel et bien mais elles interagissent extrêmement peu avec la matière. Leur étude nécessite des systèmes de détection très volumineux, comme le kilomètre-cube de glace utilisé dans l’expérience IceCube en Antarctique, et leurs propriétés demeurent mal connues. Le modèle standard de la physique des particules ne leur prédit pas de masse, mais les expériences d’oscillations ont démontré qu’ils en possèdent une. Trois types de neutrinos sont connus, et l’existence d’un quatrième, le neutrino stérile, couplé uniquement à la gravité, est encore hypothétique.
La collaboration BeEST, portée par Kyle G. Leach et dans laquelle le LNHB est impliqué depuis sa création en 2020, a développé une approche innovante : mesurer indirectement les propriétés des neutrinos avec des détecteurs extrêmement petits (environ le diamètre d’un cheveu), dans une expérience dite « sur table ». Le noyau radioactif de béryllium-7, qui se désintègre par capture d’un électron atomique, est implanté dans une jonction supraconductrice à effet tunnel, un détecteur quantique doté d’une résolution en énergie exceptionnelle. La mesure ultraprécise de l’énergie de recul du noyau, un spectre d’une centaine d’électronvolts seulement, fournit des informations sur le neutrino émis, les deux particules étant intriqués quantiquement.
Comme toute particule quantique, le neutrino n’est pas strictement localisé mais possède une probabilité de présence dans une certaine région de l’espace. Jusqu’ici, il était admis qu’elle correspondait à la taille du noyau. La grande surprise révélée par l’expérience BeEST est que, dès sa création, le neutrino s’étend sur une région des milliers de fois plus grande que le noyau, bouleversant notre compréhension du processus de désintégration radioactive.
La précision de cette méthode est telle qu’elle permet également d’observer l’effet de l’environnement chimique sur le processus nucléaire. L’un des premiers résultats de la collaboration BeEST a montré que la probabilité de capture électronique du béryllium-7 peut varier d’un facteur deux entre une mesure dans un détecteur en tantale et une prédiction théorique pour un noyau dans le vide. Cette dernière a été réalisée avec le code BetaShape, développé par le LNHB depuis une quinzaine d’années et référence mondiale pour l’évaluation des données de désintégration bêta. Cet effet d’environnement chimique est actuellement le principal verrou scientifique limitant la précision des informations physiques que l’on peut extraire de l’expérience BeEST. Les travaux théoriques, complexes, se poursuivent en collaboration avec Paul-Antoine Hervieux afin de le modéliser avec la meilleure précision possible.
L’expérience BeEST ouvre une nouvelle fenêtre sur notre compréhension de la désintégration radioactive.
