La radioactivité bêta sondée avec précision au GANIL - 27 Novembre 2008
Une équipe rassemblant des physiciens de deux laboratoires français a mis au point et testé avec succès une technique permettant de mesurer avec une grande précision la distribution d’émission des particules produites par des ions radioactifs suspendus dans le vide. La technique a été utilisée pour sonder avec une sensibilité accrue les forces responsables de la radioactivité bêta. Elle pourrait ainsi révéler l'existence éventuelle de nouvelles interactions.
La radioactivité bêta est l'un des trois modes les plus courants de désintégration des noyaux instables. Elle se traduit par la transformation d’un proton en un neutron, ou bien d’un neutron en un proton à l'intérieur du noyau atomique. Dans le dernier cas, la transformation du neutron s’accompagne de l’émission d’un électron et d’un antineutrino, on parle alors de radioactivité « bêta moins ». Mais si l’électron est aisément observable, il est en revanche presque impossible de détecter l’antineutrino du fait de sa faible interaction avec la matière. Parmi les quatre forces fondamentales de la nature (gravitation, électromagnétisme, faible et forte) c’est l’interaction faible qui est responsable de la radioactivité bêta.
Il reste des interrogations
« Certains fondements théoriques de l’interaction faible demeurent encore mystérieux » explique Oscar Naviliat Cuncic, enseignant-chercheur au LPC de Caen1. « La théorie actuelle n’a jamais été mise en défaut par l’expérimentation mais de nombreux arguments nous conduisent à supposer que d’autres interactions existent au-delà de celles déjà connues et qu’elles pourraient contribuer également au phénomène de la radioactivité bêta. Or, la signature de ces nouvelles interactions pourrait être mise en évidence par des mesures de précision, comme par exemple la mesure des directions relatives d‘émission entre l’électron et l’antineutrino dans la désintégration bêta. »
Un dispositif spécifique à l'expérience
Pour réaliser cette mesure, l’équipe de chercheurs dirigée par Oscar Naviliat Cuncic a construit le dispositif LPCTrap2. Cet équipement, unique en son genre, permet de ralentir les ions radioactifs d'un isotope de l’hélium (produit avec l’installation SPIRAL du GANIL), puis de les piéger3 au moyen de champs électriques oscillants pour les maintenir dans le vide sous la forme d’un petit nuage.
Lors de la désintégration bêta d’un noyau d'hélium ainsi piégé, les énergies et les directions d’émission du noyau, de l’électron et de l’antineutrino sont contraintes par les principes de la physique. La distribution des configurations d’émission dépend quant à elle du type d’interaction sous-jacente. La mesure des énergies et des directions d’émission de l’électron et du noyau produits permet donc de déduire celles de l’antineutrino. En observant alors la distribution des différentes configurations de désintégration, on peut remonter avec précision à la nature de l’interaction.
Des millions d'observations
Les résultats publiés dans Physical Review Letters concernent environ 100 000 observations de décroissances radioactives, ce qui a suffit pour démontrer l'efficacité de la technique. Mais pour la mesure proprement dite il a fallu collecter davantage de données et il faudra réaliser des tests supplémentaires pour mieux connaître les effets systématiques dus aux conditions de piégeage des ions et à l’observation de leur désintégration.
« Lors d'une nouvelle expérience, réalisée en octobre 2008, nous avons collecté plus de 4 millions d’observations » précise Oscar Naviliat Cuncic « ce qui permettrait d'améliorer le niveau actuel de sensibilité. Confirmer ou mettre en défaut la théorie reste une autre histoire. »
Ce résultat vient d’être publié dans la revue Physical Review Letters. X. Fléchard et al., Physical Review Letters, Vol. 101, 21 novembre 2008, p. 212504
1 Laboratoire de Physique Corpusculaire de Caen, ENSICAEN, CNRS/IN2P3, Université de Caen Basse-
Normandie, France
2 «LPCTrap facility: A novel transparent Paul trap for high-precision experiments»
D. Rodríguez et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 565 (2006) 876-889
3 Les techniques de piégeage d’atomes ou d’ions sont utilisées depuis plusieurs années en laboratoire pour mesurer avec grande précision certaines propriétés du noyau atomique. Ces techniques permettent également d’étudier les modes de désintégration d’atomes ou d’ions radioactifs avec une meilleure sensibilité que par le passé.
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