La durée de vie du neutron est un paramètre important dans le modèle standard car il est utilisé comme entrée pour calculer la matrice de mélange des quarks, qui décrit les taux de désintégration des quarks. Si les quarks ne se mélangent pas comme prévu, cela laisse entrevoir une nouvelle physique au-delà du modèle standard.
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 intéressante au laboratoire national d’Oak Ridge du ministère de l’Énergie pour essayer de détecter une particule qui a fait l’objet de spéculations mais qui n’a pas été repérée. S’il est trouvé, le “neutron miroir” théorisé – un matière noire jumeau du 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.
Atome les noyaux sont constitués de neutrons et de protons. Ces particules peuvent également vivre en dehors des noyaux. L’année dernière, en utilisant le Los Alamos Neutron Science Center, des scientifiques ont révélé combien de temps les neutrons libres vivent avant de se désintégrer ou de se transformer en protons, électronset anti-neutrinos.
La réponse – 877,8 secondes, plus ou moins 0,3 seconde, soit un peu moins de 15 minutes. Cette étude a fait allusion à une fissure dans le Modèle standard de physique des particules.
Pour mesurer la durée de vie du neutron libre, les scientifiques ont conçu deux approches : L’une piège les neutrons dans une bouteille magnétique et compte leur disparition. Les protons de l’autre décompte apparaissent dans un faisceau lorsque les neutrons se désintègrent. Les neutrons semblent vivre neuf secondes de plus dans un faisceau que dans une bouteille.
Leah Broussard de l’ORNL, qui a dirigé l’étude, a déclaré : « 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. L’oscillation est un phénomène de mécanique quantique. Si un neutron peut exister sous forme de neutron régulier ou de neutron miroir, vous pouvez obtenir ce type d’oscillation, oscillant entre les deux états, tant que cette transition n’est pas interdite.
L’équipe dirigée par l’ORNL a mené la première recherche de neutrons oscillant dans des neutrons miroirs de matière noire en utilisant une méthode de pointe de disparition et de régénération. La Spallation Neutron Source, une installation utilisateur du DOE Office of Science, a produit les neutrons. Un faisceau de neutrons a été dirigé vers le réflectomètre magnétique du SNS. L’instrument a été utilisé par Michael Fitzsimmons, un physicien qui occupe des postes conjoints à l’ORNL et à l’Université du Tennessee à Knoxville, pour renforcer les oscillations entre les états de neutrons. Ensuite, le faisceau est entré en contact avec un « mur » de carbure de bore, un puissant absorbeur de neutrons.
Si le neutron fluctue entre les modes régulier et miroir, il interagira avec les noyaux atomiques lorsqu’il heurtera la paroi et y sera absorbé. Mais la matière noire n’interagira pas si elle se trouve dans sa configuration hypothétique de neutrons miroirs.
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 l’idée, 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.
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, a déclaré : “La dynamique est la même de l’autre côté du mur, où nous essayons d’induire ce qui est vraisemblablement des neutrons miroirs – l’état jumeau de la matière noire – pour qu’ils redeviennent des neutrons réguliers. Si nous voyons des neutrons régénérés, cela pourrait signaler que nous avons vu quelque chose d’exotique. La découverte de la nature particulaire de la matière noire aurait d’énormes implications.
Brossard a dit, “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. Quoi qu’il en soit, le résultat est toujours important pour faire avancer les 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. 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 neurones miroirs, les physiciens ont pu écarter une théorie farfelue. Et cela les rapproche de la résolution du puzzle.
Référence de la revue :
- L.J. Broussard, J.L. Barrow, et al. Recherche expérimentale d’oscillations de neutrons à miroirs de neutrons comme explication de l’anomalie de durée de vie des neutrons. EST CE QUE JE: 10.1103/PhysRevLett.128.212503
