Résolution en énergie au Qββ du 136Xe: nouveau record du monde avec du xénon liquide pour l'expérience XENON1T

Avec le niveau de bruit de fond le plus bas jamais atteint par une chambre à projection temporelle au xénon liquide, XENON1T s'est avéré être l'expérience de détection directe de matière sombre la plus sensible sur terre pour des candidats ayant une masse supérieure à 3 GeV/c2. Bien que XENON1T ait été principalement conçue pour rechercher des reculs nucléaires entre des particules massives interagissant faiblement (Weakly Interacting Massive Particles, WIMPs) et des atomes de xénon à des énergies de l’ordre du keV, le niveau sans précédent de radioactivité atteint a rendu l’expérience XENON1T également adaptée pour d’autres recherches d’événements rares issus de reculs électroniques à faibles O(keV) et aussi plus hautes O(MeV) énergies. Parmi ces recherches, la désintégration double beta sans émission de neutrino (0ν2β) du 136Xe recouvre un intérêt particulier car l’observation d'une telle décroissance radioactive permettrait d’accéder à l’échelle de masse du neutrino et de répondre à une des grandes questions actuelles de la physique des particules : quelle est la nature des neutrinos ? Sont-ils des particules de Dirac (particule et antiparticule sont deux états distincts) ou de Majorana (particule et antiparticule sont le même état) ?  Avec le but de répondre à cette question, les membres de l’équipe Xénon de SUBATECH sont très engagés dans l’analyse de la 0ν2β au sein de la Collaboration XENON. En particulier, le travail de thèse de Chloe Therreau a mené au résultat majeur montré sur la couverture de EPJC 80/08 dans l’image ci-après (lien vers l'article).

Avant ce travail, les chambres à projection temporelle double phase au xénon, conçues pour rechercher des WIMPs, étaient caractérisées par une détérioration de la résolution en énergie pour les énergies de recul électronique supérieures à ∼100 keV. Dans l'expérience XENON1T, nous avons développé une méthode de correction du signal qui a permis de bien reconstruire les signaux d'intérêt dans une plus large gamme d'énergie. En particulier, nous avons démontré qu'à l’énergie du signal de la 0ν2β du 136Xe (~2,46 MeV), la résolution en énergie relative (à 1-?) est aussi basse que (0,80 ± 0,02)%! (MISSING)L’excellent résultat de XENON1T ouvre de nouvelles fenêtres pour les détecteurs double phase au xénon pour la recherche simultanée de matière noire et d'autres événements rares.