Pour percer les mystères du cosmos : la plus précise des mesures de la durée de vie des neutrons a été réalisée
Une nouvelle expérience « en baignoire » a permis à des physiciens de mesurer la durée de vie d’un neutron libre avec beaucoup plus de précision que précédemment. Cette avancée pourrait aider à sonder les limites du modèle standard de la physique des particules, ainsi que des mystères comme la matière noire et les premiers instants de l’univers.
Image d’entête : le détecteur de neutrons ultrafroids utilisé dans le piège « baignoire ». (Los Alamos National Lab / Michael Pierce)
Les neutrons se trouvent principalement dans le noyau des atomes, mais ils peuvent également être produits de manière autonome par des processus tels que les réactions nucléaires ou les rayons cosmiques qui interagissent avec les atomes dans l’atmosphère. Ces « neutrons libres » sont instables et se désintègrent en un proton, un électron et un antineutrino, mais la durée exacte de ce processus est controversée.
Les physiciens mesurent la durée de vie moyenne des neutrons libres à l’aide de deux méthodes principales : la « bouteille » et le « faisceau » (“bottle” et “beam”). La première consiste à placer des neutrons libres dans un instrument ressemblant à une bouteille, à attendre un certain temps, puis à compter combien il en reste. La seconde consiste à générer un faisceau de neutrons, puis à compter le nombre de protons produits par la désintégration des neutrons.
(Daniel Savage/ Quanta)
Il est frustrant pour les chercheurs de constater que les deux techniques offrent systématiquement des valeurs différentes : les neutrons en bouteille vivent en moyenne 14 minutes et 39 secondes, contre 14 minutes et 48 secondes pour les neutrons en faisceau.Neuf secondes, cela ne semble pas être une grande différence, mais cela a des implications énormes pour toute une série de calculs importants en physique. Plus étrange encore, la différence n’a fait que s’accentuer à mesure que chaque méthode devenait plus précise, et il n’y a pas de chevauchement entre leurs intervalles. Cela pourrait indiquer que l’une des techniques ne fonctionne pas correctement, que les scientifiques surestiment leurs certitudes ou que des éléments physiques inconnus interfèrent.
Selon Daniel Salvat, chercheur principal de l’étude :
Le processus par lequel un neutron se « désintègre » en un proton, avec l’émission d’un électron léger et d’un neutrino presque sans masse, est l’un des processus les plus fascinants que connaissent les physiciens. L’effort pour mesurer cette valeur de façon très précise est significatif car la connaissance de la durée de vie précise du neutron peut nous renseigner sur la façon dont l’univers s’est développé, ainsi que permettre aux physiciens de découvrir des failles dans notre modèle de l’univers subatomique que nous savons exister mais que personne n’a encore pu trouver.
Les scientifiques affirment désormais avoir mesuré la durée de vie du neutron libre avec la plus grande précision qui soit. Au laboratoire national de Los Alamos (États-Unis), l’équipe a mis en place une expérience appelée UCNtau, qui est une variation de la méthode de la bouteille qu’ils appellent une « baignoire » (“bathtub”).
Les neutrons sont refroidis à un niveau proche du zéro absolu (« UCN » de UCNtau signifie « Ultracold Neutrons »), puis placés dans un instrument qui les fait léviter grâce à des milliers d’aimants. Après 30 à 90 minutes, les scientifiques comptent les neutrons qui ont survécu pour calculer leur durée de vie moyenne. En utilisant cette méthode, l’équipe a compté environ 40 millions de neutrons sur deux ans, pour finalement parvenir à leur temps.
Illustration schématique de l’expérience de la Collaboration UCNτ. Une quantité connue de neutrons ultrafroids (nuage bleu) est maintenue dans un piège magnétogravitationnel (bol rose asymétrique) pendant une période déterminée. Pendant cette période, certains neutrons subissent une désintégration bêta (encadré). À la fin de la période, un détecteur (feuille grise) est descendu dans le piège pour compter le nombre de neutrons restants. (APS/ Alan Stonebraker)
Selon la nouvelle étude, la durée de vie moyenne d’un neutron libre est de 14 minutes et 37,75 secondes. Les chercheurs affirment avoir obtenu ce chiffre avec une précision plus de deux fois supérieure à celle des mesures précédentes, ce qui ramène l’incertitude à seulement 0,039 %.
Une comparaison des résultats de la durée de vie des neutrons de plusieurs expériences réalisées depuis le début des années 1980. Les expériences sur les faisceaux (Beam) sont indiquées en rouge, et celles sur les bouteilles (bottle) en bleu. Les résultats récents du projet UCNtau, qui sont les plus précis à ce jour, sont représentés en jaune et indiquent une durée de vie des neutrons de 877,75 secondes avec une incertitude de 0,34 seconde. (Eric Fries/ Caltech)
L’équipe affirme que la précision de ce chiffre peut apporter des réponses à un grand nombre de questions importantes en cosmologie et en physique, comme la façon dont les premiers noyaux atomiques se sont formés et les quantités relatives d’éléments créés dans l’univers primitif. Il est même possible que les neutrons se décomposent en matière noire, ce qui pourrait expliquer l’écart entre les mesures de la bouteille et du faisceau.
L’étude publiée dans Physical Review Letters : Improved Neutron Lifetime Measurement with UCNτ et présentée sur le site de l’American Physical Society : Measuring the Neutron Lifetime with Record-Breaking Precision.
Bonjour,
J’aimerai savoir si la RR a été prise en compte dans les deux expériences?
cela pourrait expliquer l’écart des durées d’observation puisque dans l’expérience de la bouteille ou de sa variantes dans l’expérience mentionnée, les neutrons peuvent être considérés comme fixes tandis que dans l’expérience en faisceau les neutrons sont mobiles.
D’après la RR, leur vitesse serait de l’ordre de 0.15c.
Merci pour vos articles.