DetecteurCupidMoL’expérience CUPID-Mo, installée au Laboratoire Souterrain de Modane dans le cryostat de l’expérience EDELWEISS, vient de fixer une nouvelle limite mondiale pour la détection de la signature 0νββ. CUPID-Mo est un démonstrateur qui vient ainsi de prouver son efficacité tant dans la mesure de l’énergie que dans la réjection de bruit de fond. Ce résultat était vivement attendu par les équipes physiciens préparant le déploiement à grande échelle de ce type de détecteurs dans un futur proche. Avec ce nouveau résultat, le LSM conserve sa tradition de record de précision sur la mesure de la période 0νββ du noyau 100Mo, obtenu jusqu’alors avec l’expérience NEMO3.

Dans sa forme standard, la double désintégration bêta est un processus par lequel un noyau se désintègre en un noyau différent et émet deux électrons et deux antineutrinos (2νββ). Cette transition nucléaire est très rare, mais elle a été détectée dans plusieurs noyaux grâce à des expériences complexes. Si les neutrinos sont leurs propres antiparticules, il est possible que les antineutrinos émis lors de la double désintégration bêta s’annihilent mutuellement et disparaissent. C’est ce qu’on appelle la double désintégration bêta sans neutrinos (0νββ), un phénomène jamais observé jusqu’à présent. Sa détection permettrait de vérifier que les neutrinos sont leurs propres antiparticules, et ce serait un indice de la raison pour laquelle ils ont une masse si minuscule et du rôle qu’ils pourraient avoir joué dans la formation de notre univers.
Le mode de désintégration 0νββ est un processus extrêmement rare, mais sa signature est très claire et sans ambiguïté : Il s’agit de trouver un pic dans le spectre de l’énergie totale déposée dans le détecteur par les deux électrons émis. La position attendue du pic est connue avec une précision de plus de 0,1 %. Les expériences 0νββ nécessitent donc une grande exposition, une haute résolution énergétique et un bruit de fond incroyablement faible dans la région où le pic est attendu.
La collaboration CUPID-Mo a réussi à combiner la technique des bolomètres à scintillation avec un choix approprié de noyaux dans ses cristaux pour obtenir le rejet exceptionnel du bruit de fond nécessaire pour signer la décroissance 0νββ du 100Mo avec une sensibilité sans précédent. Elle opère, dans le cryostat de l’expérience Edelweiss, un détecteur formé de 20 cristaux de Li2MoO4 enrichis de 0,2 kg correspondant à 2,264 kg de 100Mo.
L’expérience a accumulé plus d’une année de données (2,17 kg × an d’exposition) acquises entre mars 2019 et avril 2020. Grâce à un cycle utile efficace, une excellente efficacité d’analyse de 90 % et surtout un bruit de fond nul dans la région d’intérêt, les chercheurs ont fixé une nouvelle limite mondiale pour la détection de la signature 0νββ : la demi-vie du 100Mo est supérieur à 1,4x1024 an. L’équipe technique de la plateforme nationale LSM du LPSC ont fortement contribué à ce succès. Avec son soutien, l’expérience a pu rester en froid sur une période continue de plus de 18 mois, démarrée en décembre 2018, pour permettre la prise de données des détecteurs à une température 0,022 degrés au-dessus du zéro absolu. Cet effort a même pu être continué malgré la période de confinement au printemps 2020. La présentation des résultats acquis entre mars 2019 et avril 2020 est disponible ici.

Plus tard dans la décennie, la technologie CUPID-Mo sera déployée à grande échelle dans l’expérience CUPID, qui prévoit l’installation d’environ 1500 cristaux dans le cryostat actuel de l’expérience CUORE, au laboratoire de Gran Sasso en Italie. CUPID sera alors à la pointe de la recherche sur 0νββ.