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EXO: Enriched Xenon Observatory

La recherche de la nature du neutrino
La nature du neutrino est un problème non résolu en physique des particules. Les neutrinos sont les seules particules élémentaires massives de type fermion sans charge électrique. Ainsi les neutrinos pourraient être de type Majorana, ce qui signifie que particule et anti-particule peuvent être décrites comme deux états propres d’hélicité tout en étant des particules identiques. Une façon d’aborder cette question concernant la nature du neutrino est la recherche de processus violant le nombre leptonique. Parmi ceux-ci, la recherche de la double désintégration bêta sans neutrino (ββ0ν) est l’approche la plus prometteuse. La collaboration Enriched Xenon Observatory (EXO) recherche cette désintégration de l’isotope ¹³⁶Xe.

Recherche de ββ0ν avec EXO-200

Le détecteur EXO-200 est situé dans la mine WIPP (Waste Isolation Project Plant) dans le sud-est du Nouveau-Mexique (protection de 1 585 mètres équivalent en eau). L’EXO-200 se compose de deux chambres à dérive (Time Projection Chamber – TPC) avec une cathode commune, et utilise environ 175 kg de xénon liquide, enrichi à plus de 80 % en isotope ¹³⁶Xe. Le xénon liquide est utilisé à la fois comme source du signal et comme moyen de détection. L’énergie et la position de chaque dépôt d’énergie à l’intérieur du TPC sont enregistrées et reconstruites. EXO-200 recueille depuis plusieurs années déjà des données qui ont mené à la première observation de ββ2ν dans ¹³⁶Xe, ainsi qu’une mesure très précise de son temps de demi-vie T_1/2 = 2.165 ± 0.016 (stat) ± 0.059 (sys) × 10²¹ années. La collaboration EXO-200 a également effectué une recherche sensible à la physique au-delà du modèle standard et a obtenu une limite pour ββ0ν de T_1/2 > 1,1 x 10²⁵ années à un niveau de confiance de 90 % (C.L.). Suite à un incendie dans la mine en 2014, l’expérience a été suspendue. Elle a repris début 2016 après une amélioration de l’électronique et l’installation d’équipement permettant de réduire la concentration de Rn dans l’air entourant le cryostat. EXO-200 devrait prendre des données pour encore au moins deux ans. Pour plus d’informations, visitez le site Web de l’EXO-200.

Recherche de ββ0ν avec nEXO

Parallèlement au fonctionnement de EXO-200, le développement de nEXO, un TPC de xénon liquide de nouvelle génération, a été lancé. Le détecteur nEXO utilisera 5T de xénon enrichi et sera installé dans un laboratoire souterrain, idéalement dans les installations de SNOLab à Sudbury. Le détecteur est conçu pour être sensible à une demi-vie de ββ0ν supérieure à 10²⁸ années. À ce niveau de sensibilité, le détecteur nEXO a le potentiel de sonder complètement la gamme de masse pertinente à l’hypothèse de hiérarchie de masse de neutrinos inversée. Les collaborateurs canadiens de EXO sont l’Université Carleton, l’Université Laurentienne, l’Université McGill, l’Université de Sherbrooke et TRIUMF. L’équipe se concentre sur le développement de techniques avancées de détection de photons et sur la mesure de la contamination radioactive dans divers matériaux candidats pour le détecteur nEXO. En plus, l’équipe travaille sur le développement d’une technique de marquage du 136Ba, qui est le produit de la désintégration ββ ¹³⁶Xe et qui est extrait du volume du détecteur pour être identifié. Si cette extraction est efficace, la mesure sera pratiquement sans bruit de fond, ce qui augmenterait considérablement la sensibilité du détecteur par rapport à un détecteur classique qui est limité par le bruit de fond.