Les physiciens face au casse-tête de la durée de vie des neutrons


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  • Pour résoudre une énigme de longue date sur la durée de vie d’un neutron en dehors d’un noyau atomique, les physiciens ont élaboré une théorie farfelue mais vérifiable postulant l’existence d’une version droitière de notre univers gaucher. Ils ont conçu une expérience hallucinante au laboratoire national d’Oak Ridge du ministère de l’Énergie pour tenter de détecter une particule qui a été spéculée mais non repérée. S’il est trouvé, le « neutron miroir » théorisé – un jumeau de matière noire au neutron – pourrait expliquer un écart entre les réponses de deux types d’expériences sur la durée de vie des neutrons et fournir la première observation de la matière noire.

    « La matière noire reste l’une des questions les plus importantes et les plus déroutantes de la science – des preuves claires que nous ne comprenons pas toute la matière dans la nature », a déclaré Leah Broussard de l’ORNL, qui a dirigé l’étude publiée dans Lettres d’examen physique.

    Les neutrons et les protons constituent le noyau d’un atome. Cependant, ils peuvent également exister en dehors des noyaux. L’année dernière, en utilisant le Los Alamos Neutron Science Center, le co-auteur Frank Gonzalez, maintenant à l’ORNL, a mené la mesure la plus précise jamais réalisée de la durée de vie des neutrons libres avant de se désintégrer ou de se transformer en protons, électrons et antineutrinos. La réponse – 877,8 secondes, plus ou moins 0,3 seconde, soit un peu moins de 15 minutes – a fait allusion à une fissure dans le modèle standard de la physique des particules. Ce modèle décrit le comportement des particules subatomiques, telles que les trois quarks qui composent un neutron. Le basculement des quarks initie la désintégration des neutrons en protons.

    « La durée de vie des neutrons est un paramètre important dans le modèle standard car elle est utilisée comme entrée pour le calcul de la matrice de mélange des quarks, qui décrit les taux de désintégration des quarks », a déclaré Gonzalez, qui a calculé les probabilités d’oscillation des neutrons pour l’étude de l’ORNL. « Si les quarks ne se mélangent pas comme prévu, cela laisse entrevoir une nouvelle physique au-delà du modèle standard. »

    Pour mesurer la durée de vie d’un neutron libre, les scientifiques adoptent deux approches qui devraient aboutir à la même réponse. On piège les neutrons dans une bouteille magnétique et compte leur disparition. L’autre compte les protons apparaissant dans un faisceau lors de la désintégration des neutrons. Il s’avère que les neutrons semblent vivre neuf secondes de plus dans un faisceau que dans une bouteille.

    Au fil des ans, des physiciens perplexes ont examiné de nombreuses raisons expliquant cet écart. Une théorie est que le neutron se transforme d’un état à un autre et inversement. « L’oscillation est un phénomène de mécanique quantique », a déclaré Broussard. « Si un neutron peut exister sous forme de neutron régulier ou de neutron miroir, alors vous pouvez obtenir ce type d’oscillation, un va-et-vient entre les deux états, tant que cette transition n’est pas interdite. »

    L’équipe dirigée par l’ORNL a effectué la première recherche de neutrons oscillant dans des neutrons miroirs de matière noire en utilisant une nouvelle technique de disparition et de régénération. Les neutrons ont été fabriqués à la Spallation Neutron Source, une installation utilisateur du DOE Office of Science. Un faisceau de neutrons a été guidé vers le réflectomètre de magnétisme de SNS. Michael Fitzsimmons, un physicien titulaire d’une nomination conjointe à l’ORNL et à l’Université du Tennessee à Knoxville, a utilisé l’instrument pour appliquer un champ magnétique puissant afin d’améliorer les oscillations entre les états de neutrons. Ensuite, le faisceau a heurté un « mur » en carbure de bore, qui est un puissant absorbeur de neutrons.

    Si le neutron oscille en fait entre les états régulier et miroir, lorsque l’état du neutron frappe la paroi, il interagira avec les noyaux atomiques et sera absorbé par la paroi. S’il est dans son état théorisé de neutron miroir, cependant, c’est la matière noire qui n’interagira pas.

    Ainsi, seuls les neutrons miroirs traverseraient le mur de l’autre côté. Ce serait comme si les neutrons avaient traversé un « portail » vers un secteur sombre – un concept figuratif utilisé dans la communauté des physiciens. Pourtant, la presse rapportant des travaux antérieurs liés s’est amusée à prendre des libertés avec le concept, comparant l’univers miroir théorisé que l’équipe de Broussard explore à la réalité alternative « Upside Down » dans la série télévisée « Stranger Things ». Les expériences de l’équipe n’exploraient pas un portail littéral vers un univers parallèle.

    « La dynamique est la même de l’autre côté du mur, où nous essayons d’induire ce qui sont vraisemblablement des neutrons miroirs – l’état jumeau de la matière noire – pour qu’ils redeviennent des neutrons réguliers », a déclaré le co-auteur Yuri Kamyshkov, un Physicien de l’UT qui, avec des collègues, a longtemps poursuivi les idées d’oscillations de neutrons et de neutrons miroirs. « Si nous voyons des neutrons régénérés, cela pourrait être un signal que nous avons vu quelque chose de vraiment exotique. La découverte de la nature particulaire de la matière noire aurait des implications énormes. »

    Matthew Frost de l’ORNL, qui a obtenu son doctorat de l’UT en travaillant avec Kamyshkov, a réalisé l’expérience avec Broussard et a aidé à l’extraction, à la réduction et à l’analyse des données. Frost et Broussard ont effectué des tests préliminaires avec l’aide de Lisa DeBeer-Schmitt, scientifique en diffusion de neutrons à l’ORNL.

    Lawrence Heilbronn, ingénieur nucléaire à l’UT, a caractérisé les bruits de fond, tandis qu’Erik Iverson, physicien à l’ORNL, a caractérisé les signaux neutroniques. Grâce au programme de stages en laboratoire scientifique de premier cycle du Bureau des sciences du DOE, Michael Kline de l’Université d’État de l’Ohio a compris comment calculer les oscillations à l’aide d’unités de traitement graphique – des accélérateurs de types spécifiques de calculs dans les codes d’application – et a effectué des analyses indépendantes de l’intensité du faisceau de neutrons. et statistiques, et Taylor Dennis de l’East Tennessee State University a aidé à mettre en place l’expérience et à analyser les données de base, devenant finaliste d’un concours pour ce travail. Les étudiants diplômés de l’UT Josh Barrow, James Ternullo et Shaun Vavra avec les étudiants de premier cycle Adam Johnston, Peter Lewiz et Christopher Matteson ont contribué à différentes étapes de la préparation et de l’analyse des expériences. L’étudiant diplômé de l’Université de Chicago, Louis Varriano, ancien porteur du flambeau de l’UT, a aidé aux calculs conceptuels de mécanique quantique de la régénération des neutrons miroirs.

    La conclusion : Aucune preuve de régénération de neutrons n’a été observée. « Cent pour cent des neutrons se sont arrêtés ; zéro pour cent a traversé le mur », a déclaré Broussard. Quoi qu’il en soit, le résultat est toujours important pour l’avancement des connaissances dans ce domaine.

    Avec une théorie particulière de la matière miroir démystifiée, les scientifiques se tournent vers d’autres pour tenter de résoudre le casse-tête de la durée de vie des neutrons. « Nous allons continuer à chercher la raison de l’écart », a déclaré Broussard. Elle et ses collègues utiliseront le High Flux Isotope Reactor, une installation utilisateur du DOE Office of Science à l’ORNL, pour cela. Les mises à niveau en cours au HFIR rendront possibles des recherches plus sensibles car le réacteur produira un flux de neutrons beaucoup plus élevé et le détecteur blindé de son diffractomètre à diffusion de neutrons à petit angle a un bruit de fond plus faible.

    Parce que l’expérience rigoureuse n’a pas trouvé de preuves de neutrons miroirs, les physiciens ont pu écarter une théorie farfelue. Et cela les rapproche de la résolution du puzzle.

    S’il semble triste que l’énigme de la durée de vie des neutrons reste non résolue, rassurez-vous auprès de Broussard : « La physique est difficile parce que nous avons fait un trop bon travail dans ce domaine. Seuls les problèmes vraiment difficiles – et les découvertes heureuses – restent. »

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