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https://journals.aps.org/prl/accepted/10.1103/pn9y-g5k7

Dans la désintégration bêta double à deux neutrinos, deux neutrons au sein d’un noyau atomique se transforment simultanément en deux protons, libérant deux électrons et deux antineutrinos. Comme les neutrinos ne perdent quasiment aucune énergie dans le détecteur, l’expérience mesure principalement le spectre d’énergie totale des deux électrons. Si les neutrinos sont des particules de Majorana, les deux antineutrinos de l’état final s’annihilent mutuellement ; dans ce cas, l’énergie totale des deux électrons observés expérimentalement devrait correspondre à une valeur fixe.

Cette étude introduit une nouvelle particule scalaire légère ϕ susceptible de se coupler aux neutrinos ; ceci peut entraîner l’émission supplémentaire de la particule ϕ dans l’état final de la désintégration. Cette particule peut soit échapper au détecteur, soit se désintégrer en particules invisibles, générant des distorsions spectrales correspondant à une perte d’énergie sur le spectre d’énergie.

L’équipe de recherche a construit un modèle de particule scalaire réelle, dont la particule scalaire se couple à la fois aux neutrinos et à la matière noire. Elle peut à la fois induire l’émission de particules scalaires lors de la désintégration bêta double et produire les auto-interactions des neutrinos, les auto-interactions de la matière noire, ainsi que les interactions entre neutrinos et matière noire.

En calculant les facteurs d’espace des phases et les éléments de matrice nucléaire de la désintégration bêta double avec émission d’une particule scalaire, l’équipe a recherché les distorsions correspondantes du spectre d’énergie des électrons à l’aide des données de désintégration bêta double du xénon136 issues de l’expérience PandaX4T. Des contraintes expérimentales sur la constante de couplage neutrinoscalaire gνϕ​ ont été établies au niveau de confiance de 90 %. Plus particulièrement, sur l’intervalle de masse 0,8–2 MeV, les résultats expérimentaux représentent les limites de laboratoire les plus strictes au monde à l’heure actuelle.

Des théoriciens ont précédemment suggéré que les auto-interactions des neutrinos pourraient expliquer la « tension de Hubble », un sujet très étudié par la communauté scientifique : cette anomalie correspond au désaccord entre les mesures de la constante de Hubble issues de l’Univers primordial et de l’Univers tardif. Si les auto-interactions des neutrinos proviennent de l’échange d’une particule scalaire, les résultats de PandaX excluent formellement cette hypothèse pour des masses scalaires inférieures à 2 MeV.

Par ailleurs, si cette particule scalaire participe aux auto-interactions de la matière noire, les couplages neutrinoscalaire et matière noirescalaire produisent conjointement des diffusions neutrinomatière noire. Ces diffusions modifient l’évolution des fluctuations à petite échelle dans l’Univers primordial et sont limitées par les observations du fond micro-onde cosmique et du spectre de puissance de la matière.

L’équipe de recherche a combiné les contraintes de PandaX-4T et les observations cosmologiques pour obtenir des limites strictes sur la constante de couplage matière noirescalaire gχϕ​. Cette étude apporte des contraintes expérimentales inédites reliant la désintégration bêta double, la tension de Hubble, les auto-interactions de la matière noire et l’évolution de l’Univers primordial.