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Search for two-neutrino double electron capture in $^{36}$ Ar with the DarkSide-50 detector

L'expérience DarkSide-50 a mené la première recherche de la double capture électronique à deux neutrinos dans l' $^{36}$ Ar en utilisant de l'argon souterrain, établissant une limite inférieure sur la demi-vie de $9,2 \times 10^{19}$ ans à un niveau de confiance de 90 % sans observer de signal significatif, tout en projetant une amélioration de la sensibilité d'un facteur 100 avec le futur détecteur DarkSide-20k.

Auteurs originaux : 50 Collaboration, P. Agnes, I. F. M. Albuquerque, T. Alexander, A. K. Alton, M. Ave Pernas, H. O. Back, G. Batignani, W. M. Bonivento, B. Bottino, S. Bussino, M. Cadeddu, M. Cadoni, A. Caminata, N. Ca

Publié 2026-07-14

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : 50 Collaboration, P. Agnes, I. F. M. Albuquerque, T. Alexander, A. K. Alton, M. Ave Pernas, H. O. Back, G. Batignani, W. M. Bonivento, B. Bottino, S. Bussino, M. Cadeddu, M. Cadoni, A. Caminata, N. Canci, M. Caravati, N. Cargioli, M. Carlini, S. Chashin, A. Chepurnov, S. Davini, S. De Cecco, D. Díaz Mairena, F. Dordei, G. Fiorillo, D. Franco, F. Gabriele, C. Galbiati, G. K. Giovanetti, M. Gromov, M. Gulino, B. R. Hackett, F. Hubaut, A. Ianni, V. Ippolito, F. Karpeshin, D. Korablev, G. Korga, M. Kuss, M. La Commara, M. Lai, M. Lissia, O. Lychagina, I. Machulin, S. M. Mari, J. Maricic, R. Milincic, M. Morrocchi, P. Musico, M. Pallavicini, L. Pandola, E. Pantic, E. Paoloni, K. Pelczar, V. Pesudo, A. Pocar, S. Pordes, P. Pralavorio, M. Razeti, A. L. Renshaw, M. Rescigno, D. Sablone, O. Samoylov, S. Sanfilippo, R. Santorelli, C. Savarese, A. Sheshukov, M. Skorokhvatov, O. Smirnov, A. Sotnikov, S. Stracka, Y. Suvorov, R. Tartaglia, G. Testera, A. Vishneva, B. Vogelaar, M. Wada, Y. Wang, S. Westerdale, M. M. Wojcik, C. Yang, G. Zuzel

Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Imaginez l'atome comme une minuscule ville en pleine effervescence. À l'intérieur de cette ville, le noyau est le bureau du maire, et les électrons sont les citoyens vivant dans différents quartiers (couches) autour de lui. Habituellement, ces citoyens sont très heureux de rester sur place. Mais parfois, lors d'un événement très rare et timide, deux citoyens du quartier le plus intérieur (la couche K) ou un de l'intérieur et un du quartier suivant (la couche L) décident de s'introduire furtivement dans le bureau du maire et de disparaître.

Lorsqu'ils s'évanouissent, ils emportent avec eux deux petits messagers fantomatiques appelés neutrinos. Cet événement est appelé capture électronique double à deux neutrinos. C'est comme un double enlèvement où les victimes sont des électrons et les ravisseurs sont des neutrinos, et tout cela se produit si rarement qu'il pourrait falloir plus longtemps que l'âge de l'univers pour voir cela se produire une seule fois dans un seul atome.

Des scientifiques de l'expérience DarkSide-50 ont décidé de jouer les détectives pour voir s'ils pouvaient attraper cet événement rare se produisant dans un type spécifique d'atome : l'Argon-36 (une version du gaz argon). Ils n'ont pas utilisé de l'argon de l'air ordinaire, pourtant. Ils ont utilisé de l'« argon souterrain », qui a été extrait d'une mine située profondément sous la Terre. Cet argon spécial est comme une chambre ultra-propre car il est protégé des rayons cosmiques depuis si longtemps qu'il lui manque un cousin radioactif (l'Argon-39) qui rendrait normalement les choses bruyantes.

La Grande Chasse
L'équipe a mis en place un piège géant et ultra-sensible rempli d'argon liquide. Ils ont attendu et surveillé un « cri » très spécifique de l'atome. Quand ces deux électrons disparaissent, l'atome s'excite et réorganise ses citoyens restants, libérant une minuscule bouffée d'énergie. Les scientifiques ont calculé que cette bouffée devrait ressembler à un signal spécifique d'environ 4,8 keV (ou environ 62 ou 47 "électrons d'ionisation" sur l'échelle de leur détecteur).

Ils ont observé pendant 633,5 jours (environ 1,7 an) avec une masse cible de 19,4 kg de cet argon souterrain spécial. Au total, ils ont recueilli environ 12 tonnes-jours d'exposition. C'est comme avoir un seau d'argon de la taille d'une petite baignoire et l'observer pendant plus d'un an et demi, à la recherche d'un unique murmure spécifique.

Le Verdict : Le Silence
Ont-ils trouvé le murmure ? Non.

L'article rapporte qu'ils n'ont observé aucun événement supplémentaire statistiquement significatif. Le détecteur n'a entendu rien d'autre que le bruit de fond habituel (comme le bourdonnement de la ville). Parce qu'ils n'ont pas trouvé le signal, ils n'ont pas pu mesurer la fréquence à laquelle cela se produit. Au lieu de cela, ils ont établi une règle : « Si cet événement se produit, il doit être encore plus rare que nous ne le pensions. »

Ils ont calculé que le temps nécessaire pour que la moitié des atomes d'Argon-36 accomplissent ce tour de force (la demi-vie) doit être supérieur à 9,2 × 10¹⁹ ans. Pour mettre cela en perspective, ce nombre est si énorme qu'il est difficile à imaginer. Cela signifie que l'événement est incroyablement, presque impossiblesment rare.

Ce que cela signifie
L'article exclut explicitement que cet événement se produise aussi souvent que certaines anciennes et plus simples suppositions l'espéraient. Cela ne prouve pas que l'événement ne se produit jamais ; cela prouve simplement que, s'il se produit, c'est un fantôme qui se cache encore mieux que nous ne le savions.

Les scientifiques ont également regardé vers l'avenir, vers une expérience appelée DarkSide-20k. Ils ont lancé des simulations (des suppositions informatiques basées sur leurs données actuelles) pour voir ce qui se passerait s'ils construisaient un piège beaucoup plus grand avec 34 tonnes d'argon et attendaient 10 ans. Leurs modèles suggèrent que cette nouvelle expérience, beaucoup plus grande, pourrait être environ 100 fois plus sensible. Elle pourrait enfin être capable de capturer l'événement s'il se produit à un taux d'environ 10²² ans.

L'essentiel
Pour l'instant, le mystère de la capture électronique double dans l'Argon-36 reste non résolu. L'équipe de DarkSide-50 n'a pas trouvé le trésor, mais elle a tracé une carte très précise montrant précisément où le trésor n'est pas. Ils ont prouvé que si le trésor existe, il est enfoui plus profondément et plus caché que jamais, établissant une nouvelle limite plus stricte de T₁/₂ > 9,2 × 10¹⁹ ans avec un niveau de confiance de 90 %. La recherche continue, mais pour l'instant, l'atome garde son secret.

Résumé technique : Recherche de la capture électronique double à deux neutrinos dans le $^{36}\text{Ar}$ avec le détecteur DarkSide-50

Problématique et motivation
La capture électronique double à deux neutrinos ( $2EC_{2\nu}$ ) est un processus rare d'interaction faible du second ordre où un noyau atomique capture simultanément deux électrons des couches atomiques, émettant deux neutrinos. Bien que le mode neutrinoless ( $2EC_{0\nu}$ ) soit une cible primaire pour la découverte d'une physique au-delà du Modèle Standard (spécifiquement les neutrinos de Majorana et la violation de la conservation du nombre leptonique), le mode à deux neutrinos est un processus autorisé par le Modèle Standard. La mesure expérimentale de la demi-vie du $2EC_{2\nu}$ fournit un test critique pour les calculs des éléments de matrice nucléaire (NME), qui sont essentiels pour prédire les taux du mode neutrinoless.

L'isotope $^{36}\text{Ar}$ est un candidat pour ce processus, avec une demi-vie théoriquement prédite d'environ $1,7 \times 10^{29}$ ans. Cette prédiction est nettement plus longue que celle du $^{124}\text{Xe}$ (récemment observée par XENON1T) en raison de la plus faible énergie de désintégration ( $Q \approx 433$ keV contre $\approx 2,8$ MeV) et de la nature « doublement magique » du noyau $^{36}\text{Ar}$ ( $Z=N=18$ ), qui supprime l'élément de matrice nucléaire. Avant ce travail, aucune recherche expérimentale pour le $2EC_{2\nu}$ dans le $^{36}\text{Ar}$ n'avait été menée. Le défi réside dans la détection des signaux de désexcitation atomique de basse énergie (électrons Auger et rayons X) contre un fond de contaminants radioactifs, nécessitant un détecteur doté d'une radioactivité ultra-faible et d'une grande exposition d'argon.

Méthodologie
L'étude utilise les données de l'expérience DarkSide-50, située au Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) en Italie. Le détecteur est une chambre à projection temporelle (TPC) à argon liquide (LAr) à double phase avec une masse active de $(46,4 \pm 0,7)$ kg.

Matériau cible : L'expérience a utilisé de l'argon souterrain (UAr) extrait d'une mine, qui est appauvri en l'isotope cosmogénique $^{39}\text{Ar}$ par rapport à l'argon atmosphérique. L'abondance isotopique du $^{36}\text{Ar}$ dans la cible UAr a été déterminée par spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS) comme étant $\eta_{\text{UAr}}^{36\text{Ar}} = (7,32 \pm 0,13) \times 10^{-3}\%$ , représentant un facteur d'appauvrissement de $45,6 \pm 0,8$ par rapport à l'argon atmosphérique.
Caractéristiques du signal : Le processus $2EC_{2\nu}$ dans le $^{36}\text{Ar}$ implique la capture de deux électrons de la couche K (capture KK, probabilité de $\sim74\%$ ) ou d'un électron de la couche K et d'un de la couche L (capture KL, probabilité de $\sim26\%$ ). Les lacunes atomiques résultantes conduisent à une cascade d'électrons Auger et de rayons X caractéristiques. L'énergie totale libérée est d'environ 4,8 keV, se manifestant par des signaux d'ionisation dans l'argon liquide.
Sélection des données : L'analyse couvre 633,5 jours de vie de données collectées entre décembre 2015 et décembre 2018, correspondant à une exposition totale de $\approx 12,3$ tonnes-jours. Une masse fiduciaire de $(19,4 \pm 0,3)$ kg a été définie pour minimiser les fonds externes. La région d'intérêt (ROI) pour la recherche correspond à une charge d'ionisation de $[27, 100]$ électrons reconstruits ( $N_e$ ), équivalant à environ 1–4 keV.
Modélisation et validation du signal : Le spectre du signal a été modélisé comme une combinaison de deux raies monoénergétiques correspondant aux canaux de capture KK et KL, pondérées par leurs probabilités de transition. Pour valider la réponse du détecteur à de telles cascades multi-électrons complexes, les auteurs ont utilisé la désintégration par capture électronique de $^{37}\text{Ar}$ (spécifiquement la raie de la couche K à 2,829 keV) comme référence. Une approche par « énergie totale », traitant la cascade d'énergie libérée comme un point d'interaction unique, s'est avérée mieux reproduire le spectre de $^{37}\text{Ar}$ qu'une simulation d'électrons indépendants. Cette approche validée a été appliquée au modèle de signal du $^{36}\text{Ar}$ .
Analyse statistique : Un ajustement de profil de vraisemblance binné a été effectué à l'aide du package RooFit/HistFactory. L'ajustement incluait des paramètres de nuisance pour la normalisation et la forme du fond (dominé par les désintégrations de $^{39}\text{Ar}$ et $^{85}\text{Kr}$ , ainsi que les fonds de rayons X/gamma externes) et les incertitudes systématiques liées à la modélisation du signal.

Résultats clés

Observation : Aucun excès statistiquement significatif d'événements n'a été observé dans la région d'intérêt au-dessus du fond attendu.
Limite supérieure sur les événements : La limite supérieure au niveau de confiance (C.L.) de 90 % sur le nombre d'événements $2EC_{2\nu}$ est $N_{2EC_{2\nu}} < 278$ .
Limite de demi-vie : En utilisant l'exposition mesurée, l'abondance isotopique du $^{36}\text{Ar}$ et la masse molaire de l'argon, les auteurs ont fixé une limite inférieure sur la demi-vie de la capture électronique double à deux neutrinos dans le $^{36}\text{Ar}$ :
$T_{1/2}^{2EC_{2\nu}} > 9,2 \times 10^{19} \text{ ans} \quad (90\% \text{ C.L.})$
Systématiques : L'incertitude systématique sur l'abondance du $^{36}\text{Ar}$ ( $\pm 1,8\%$ ) et la modélisation de l'échelle d'énergie ont été jugées d'un impact négligeable sur la limite finale.

Signification et affirmations
Le papier revendique ce travail comme la première recherche expérimentale de la capture électronique double à deux neutrinos dans le $^{36}\text{Ar}$ . Bien que la limite établie ( $9,2 \times 10^{19}$ ans) soit plusieurs ordres de grandeur en dessous de la prédiction théorique ( $1,7 \times 10^{29}$ ans), le résultat fournit la première contrainte empirique sur cet isotope spécifique.

Les auteurs soulignent que l'observation réussie du $2EC_{2\nu}$ dans le $^{124}\text{Xe}$ par XENON1T valide les modèles théoriques (tels que QRPA et les modèles en couches) utilisés pour calculer les NME. Par conséquent, l'absence de signal dans le $^{36}\text{Ar}$ aux sensibilités actuelles est cohérente avec ces modèles. Le papier postule que toute détection positive future du $2EC_{2\nu}$ dans le $^{36}\text{Ar}$ par des expériences de prochaine génération serait hautement significative, indiquant potentiellement une rupture des modèles nucléaires pour cet isotope spécifique ou la présence d'une nouvelle physique.

Projections futures
Le papier évalue la sensibilité projetée de l'expérience DarkSide-20k à venir. Avec une masse fiduciaire de $\sim34$ tonnes d'UAr (une augmentation d'un facteur $\sim1000$ par rapport à DarkSide-50), une radiopureté améliorée (utilisant des SiPM et des parois en PMMA) et une suppression accrue des fonds (spécifiquement l'élimination du $^{85}\text{Kr}$ ), la sensibilité au $2EC_{2\nu}$ devrait s'améliorer d'un facteur $\sim100$ sur une période de 10 ans. Cela permettrait à DarkSide-20k de sonder des demi-vies allant jusqu'à $\sim 10^{22}$ ans, rapprochant la portée expérimentale des prédictions théoriques.

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