Notre Univers est vieux : 13,8 milliards d’années, pour être précis. Bon nombre des éléments chimiques qui semblent stables à court terme s’avéreront fondamentalement instables et se décomposeront en d’autres éléments si nous attendons assez longtemps. Bien que bon nombre de ces désintégrations soient facilement observables, certains éléments et isotopes ont une durée de vie tellement longue que leur demi-vie est supérieure à celle de l’Univers.

Récemment, de la radioactivité a été détectée dans du xénon-124, un événement extrêmement rare car la désintégration de cet isotope particulier est étonnamment lente : sa demi-vie* est de 1,8 x 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 d’années, soit environ un mille milliards de fois supérieure à celle de l’univers.

*Le terme « demi-vie » fait référence au temps nécessaire à la désintégration de la moitié des atomes d’un échantillon initial. C‘est particulièrement utile dans un contexte radioactif. En d’autres termes, la probabilité qu’un atome radioactif se désintègre au cours de sa demi-vie est de 50 %. C’est une mesure statistique. Après une demi-vie, il ne reste pas exactement la moitié des atomes, à cause des variations aléatoires du processus. Heureusement, il y a toujours assez d’atomes pour ajouter un poids statistique aux mesures.

La radioactivité, le processus par lequel un noyau atomique perd de l’énergie, est utile pour beaucoup de choses. Non seulement cela aide à garder la Terre au chaud, mais nous pouvons l’utiliser pour produire de l’électricité, et même pour étudier la Terre. Par exemple, la demi-vie de l’uranium est très utile pour étudier l’âge de la Terre ou de roches très anciennes. L’uranium est assez courant sur notre planète et avec une demi-vie d’environ quatre milliards d’années, un atome d’uranium typique a environ 50% de chances de se désintégrer au cours de l’histoire de la Terre. Si vous étudiez, disons, 1000 de ces atomes, nous obtenons suffisamment de poids statistique pour mesurer avec précision l’âge de quelque chose. Avec suffisamment d’atomes, vous pouvez mesurer les désintégrations réactives d’événements comparables à l’âge de l’Univers.

Des chercheurs du détecteur XENON1T ont utilisé deux tonnes d’atomes de xénon liquide assemblés pour étudier la matière noire, la forme insaisissable et hypothétique de la matière qui serait responsable d’environ 85% de celle de l’univers. En utilisant ce xénon, ils ont pu détecter des atomes qui se décomposent en tellure, un événement dont la demi-vie est mesurée à 1,8 x 1022 ans.

Image d’entête : le détecteur XENON1T en train d’être installé sous terre dans l’installation du Laboratoire national du Gran Sasso en Italie. L’un des détecteurs à faible bruit de fond les mieux protégés au monde, le XENON1T a été conçu pour rechercher la matière noire, mais il est également sensible à de nombreux autres processus. (XENON1T collaboration)

Selon l’un des chercheurs, Ethan Brown du Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) à New York :

En fait, nous avons vu cette désintégration se produire. C’est le processus le plus long et le plus lent jamais observé, et notre détecteur de matière noire était assez sensible pour le mesurer.

C’est incroyable d’avoir été témoin de ce processus, et cela indique que notre détecteur peut mesurer la chose la plus rare jamais enregistrée.

C’est un témoignage de la précision de l’instrument scientifique, ainsi que de sa polyvalence. Les chercheurs ont été extrêmement précis dans l’étalonnage de l’instrument et ont cherché les signaux qui s’écartaient de la radioactivité de fond. Dans ce cas, le signal était de 4,4 écarts types par rapport à l’arrière-plan, soit un peu moins de la confirmation « 5-sigma » décisive de la détection de cet événement, mais suffisamment élevé pour compter avec une grande fiabilité.

Ce n’est que la première fois qu’on observe la désintégration radioactive de cet isotope du xénon, bien que sa demi-vie ait été théorisée depuis 1955. Les chercheurs continueront de chercher des preuves de la présence de matière noire, et il y a de fortes chances qu’ils recueilleront aussi des mesures plus précises de la décomposition.

L’étude publiée dans Nature : Observation of two-neutrino double electron capture in ¹²⁴Xe with XENON1T et annoncée sur le site du Rensselaer Polytechnic Institute : Dark Matter Detector Observes Rarest Event Ever Recorded.