Le mystère de la vie du neutron
Le neutron est l’un des éléments constitutifs de la matière. Le nom lui-même suggère
Mais le temps qu’il faut pour qu’un neutron « s’effondre » reste un mystère. Et voici pourquoi.
Une méthode de mesure donne un résultat de 887,7 secondes, plus ou moins 2,2 secondes.
Une autre méthode affiche 878,5 secondes, plus ou moins 0,8 seconde.
Les voici, ces mêmes neuf secondes qui déroutent les scientifiques.
Au début, il semblait que cette différence était due àsensibilité de mesure. Une théorie parfaitement valable. Cependant, les scientifiques continuent de mener une série d'expériences de plus en plus précises et l'écart insidieux demeure.
Cette cohérence dans la différence des données indique clairementà un type inconnu de physique, les scientifiques en sont sûrs. Cela peut indiquer un processus de désintégration des neutrons jusqu’ici inconnu. Ou encore, une telle divergence fondamentale pourrait indiquer que la science va au-delà du modèle standard que les scientifiques utilisent actuellement pour expliquer l’ensemble de la physique des particules. Après tout, il existe un certain nombre de phénomènes que le modèle standard n'explique pas entièrement.
En fait, ce n’est pas une théorie de tout, puisquene décrit pas la matière noire, l'énergie noire et n'inclut pas la gravité. Cependant, la confirmation expérimentale de l'existence de bosons vecteurs intermédiaires au milieu des années 80 a achevé la construction du modèle standard et son acceptation comme modèle principal.
Et pourtant, la nécessité d'élargir le modèleest apparu en 2002 après la découverte des oscillations des neutrinos. D'ailleurs, c'est la confirmation de l'existence du boson de Higgs en 2012 qui a complété la détection expérimentale des particules élémentaires prédite par le modèle standard.
Pour résoudre l'étrange divergence entreL'Office of Science du Département américain de l'énergie (DOE) travaille avec d'autres agences fédérales, laboratoires nationaux et universités.
Pourquoi étudier le neutron?
Les physiciens nucléaires ont été les premiers à étudier le tempsla vie du neutron en raison de son rôle important en physique. «Il y a des quantités fondamentales dans la nature qui sont toujours importantes», explique Jeff Green, professeur à l'Université du Tennessee et physicien au Oak Ridge National Laboratory du Département de l'Énergie. Il a étudié la durée de vie des neutrons pendant la majeure partie de sa vie - environ 40 ans. "Les théories vont et viennent, mais la durée de vie des neutrons reste au cœur de nombreux processus."
En fait, le neutron est un guide utile pourcompréhension des autres particules. Il s'agit de la particule radioactive la plus simple, elle se désintègre donc régulièrement en d'autres particules. Ainsi, c’est le neutron qui donne aux scientifiques une bonne idée de la force faible, celle-là même qui détermine si les neutrons se transforment ou non en protons. Souvent, ce processus libère de l’énergie et provoque la désintégration des noyaux. Les processus d’interaction faible jouent également un rôle important dans la fusion nucléaire, où deux protons se combinent.
La durée de vie du neutron peut également donner aux scientifiques une idée de ce qui s'est passé immédiatement après le Big Bang. Tentant, non?
Illustration d'explosion d'étoile à neutrons
Quelques secondes après l'éducationprotons et neutrons, mais avant de se combiner en éléments, le temps a commencé. L'univers se refroidissait rapidement. À un moment donné, il s'est tellement refroidi que les protons et les neutrons se sont combinés presque instantanément pour former de l'hélium et de l'hydrogène. Si les neutrons se désintégraient en protons un peu plus vite ou plus lentement, cela aurait un impact énorme sur l'ensemble du processus de l'univers. L'univers aurait un équilibre d'éléments très différent; il est probable que la vie elle-même n'existerait pas du tout.
Les scientifiques espèrent obtenir un numéro à un chiffre pourdéfinition de la durée de vie des neutrons afin qu'elle puisse être incluse dans diverses équations décrivant l'Univers. L'incertitude de la durée de vie des neutrons est acceptable, mais lorsqu'elle est inférieure à une seconde. Cependant, obtenir une certitude sur un seul chiffre s'est avéré plus difficile que les physiciens ne le pensaient.
La durée de vie des neutrons est l'un des paramètres fondamentaux les moins connus du modèle standard.
Zhaouen Tang est physicien au Laboratoire national de Los Alamos (LANL) du Département américain de l'énergie.
Oui, bien sûr, divers individusles expériences ont permis d'atteindre le niveau de précision requis. Mais l'incohérence entre les différents types d'expériences empêche les scientifiques de déterminer un nombre de vie neutronique spécifique.
Comment l'incohérence des données a été découverte
Découvrir qu'il y ala différence de données est due au désir des physiciens de donner des réponses à toutes les questions sur l'univers. L'utilisation de deux méthodes ou plus pour mesurer la même quantité est la meilleure façon d'assurer une mesure précise. Mais les scientifiques ne peuvent pas régler des minuteries sur les neutrons pour voir à quelle vitesse ils se désintègrent. Au lieu de cela, ils trouvent des moyens de mesurer les neutrons avant et après leur désintégration pour calculer leur durée de vie.
Et c'est le problème principal.
Lorsque les physiciens arrachent les neutrons des noyaux atomiques,ils les mettent dans une bouteille et comptent combien de neutrons y resteront après un certain temps, ils supposent que les neutrons subissent une désintégration radioactive en moyenne après 14 minutes 39 secondes. Mais lorsque d'autres physiciens créent des faisceaux de neutrons et comptent le nombre de protons qui apparaissent - des particules qui sont les produits de désintégration des neutrons libres - ils obtiennent une durée de vie moyenne d'environ 14 minutes 48 secondes.
L'écart entre les mesures du «flacon» et du «faisceau» persiste encore.
Écarts entre les mesures dans la "bouteille" etLe «rayon» existe depuis l'époque où les méthodes de calcul de la durée de vie des neutrons ont commencé à donner des résultats dans les années 1990. Au début, toutes les mesures étaient si inexactes que personne ne s'en inquiétait. Mais progressivement, les deux méthodes se sont améliorées et différaient encore dans les estimations.
Dans les expériences de faisceau, des machines sont utiliséesqui créent des flux de neutrons. Les scientifiques mesurent le nombre de neutrons dans un volume spécifique du faisceau. Ils dirigent ensuite le flux à travers un champ magnétique dans un piège à particules créé par les champs électriques et magnétiques. Les neutrons se désintègrent dans un piège où les physiciens mesurent la quantité de protons qui restent.
Un détecteur de protons à l'Institut national des normes et de la technologie utilisé dans la méthode du faisceau.
Au contraire, les expériences en bouteille attrapentneutrons ultra-froids dans un conteneur. Les neutrons ultra-froids voyagent beaucoup plus lentement que les neutrons normaux - quelques mètres par seconde, contre 10 millions de mètres par seconde pour les réactions de fission. Les scientifiques mesurent d'abord le nombre de neutrons dans le conteneur, puis de nouveau après un certain temps. En étudiant la différence, ils peuvent calculer à quelle vitesse les neutrons se désintègrent.
Expérience à l'UNCtau à Los Alamos en utilisant la méthode de la bouteille pour mesurer la durée de vie des neutrons
"Dans l'expérience en bouteille, ils mesurentLes « survivants » sont « morts » dans une expérience de rayonnement », explique Green. « L’expérience de la bouteille semble facile, mais elle est en réalité très difficile. D’un autre côté, l’expérience avec les rayons semble compliquée et en réalité elle est également difficile à réaliser.
Green et ses collaborateurs ont effectué de nouvelles mesures en2013 au NIST, ce qui les a aidés à recalculer encore plus précisément une expérience de faisceau qu'ils ont menée dans le même laboratoire en 2005. À ce stade, les scientifiques ont réalisé cinq expériences en bouteille et deux avec des grappes. Green était convaincu que les expériences précédentes avec des faisceaux manquaient de l’une des plus grandes sources d’incertitude. À savoir, un décompte précis du nombre de neutrons dans le faisceau. Les physiciens ont amélioré leurs mesures de cette variable pour les rendre cinq fois plus précises. Mais huit années de dur labeur ne leur ont laissé rien. Plus précisément, avec le même écart de résultats.
Les scientifiques travaillant sur des expériences avecbouteilles, ont fait face à leurs propres difficultés. L'un des plus grands défis de mesure était d'éviter la perte de neutrons lors de l'interaction avec le matériau à partir duquel le conteneur est fabriqué. La fuite modifie le nombre de neutrons à la fin de la désintégration et interfère avec les calculs.
Pour résoudre ce problème, dans le dernierL'expérience sur les bouteilles du LANL, soutenue par le Département américain des sciences, a éliminé les murs physiques. Au lieu de cela, les physiciens nucléaires ont utilisé les champs magnétiques et la gravité pour maintenir les neutrons en place.
«J'étais convaincu que si nous faisions cela, nousnous pouvons faire vivre le neutron plus longtemps et être en accord avec la durée de vie du neutron à la suite des expériences de faisceau », a déclaré Chen-Yu Liu, une femme professeur à l'Université de l'Indiana qui a dirigé l'expérience. "C'était mon parti pris personnel."
Mais la différence demeure.«Ce fut un grand choc pour moi», a-t-elle admis plus tard, en décrivant les résultats, publiés en 2018. La probabilité que la différence soit due à une coïncidence est inférieure à un sur 10 000. Mais elle pourrait encore être due à une erreur expérimentale.
Pourquoi l'erreur se produit-elle?
Les scientifiques sont confrontés à deux typesincertitudes ou erreurs dans les expériences: statistiques ou systématiques. Les erreurs statistiques proviennent de données insuffisantes. Cela nous empêche de tirer des conclusions définitives. Obtenir des données volumineuses réduit les erreurs.
Les erreurs systématiques sont fondamentalesl'incertitude de l'expérience. Soit dit en passant, ils ne sont souvent pas évidents. Les deux types d'expériences sur la durée de vie des neutrons ont des erreurs systématiques potentielles complètement différentes. Si les résultats étaient les mêmes, les expériences seraient un excellent test les unes des autres. Mais cela ne se produit pas.
"La chose la plus difficile dans la mesure de la durée de vie des neutronsEst-ce que c'est à la fois trop court et trop long », dit Hoogerheide. "Il s'avère que 15 minutes est un temps vraiment peu pratique à mesurer en physique."
Par conséquent, les scientifiques nucléaires continuent de travailler pour collecter des données supplémentaires et minimiser les erreurs systématiques.
Vertical - durée de vie des neutrons en secondes. Le rouge marque les résultats des expériences avec des rayons, le bleu - avec des bouteilles.
«L'une des choses que j'aime le plusdans mon domaine, c'est une attention exceptionnelle aux détails et à quel point vous devez comprendre chaque aspect de votre expérience afin de faire une mesure fiable », explique Leah Broussard, physicienne nucléaire à l'ORNL.
Au NIST, Hoogerheide, Green et d'autres scientifiquesmènent une nouvelle expérience avec un faisceau qui explore de manière aussi complète que possible tous les problèmes possibles. Malheureusement, chaque paramètre de chaque expérience affecte les résultats ultérieurs, c'est pourquoi ce travail est basé sur un système « deux pas en avant, un pas en arrière ».
D'autres travaux visent à trouver de nouvelles façons de mesurer la durée de vie d'un neutron.
Des chercheurs de l'Université Johns Hopkins etL'Université de Durham, au Royaume-Uni, avec le soutien du Département américain de l'énergie, a découvert comment utiliser les données de la NASA pour mesurer la durée de vie des neutrons. Sur la base des neutrons émanant de Vénus et de Mercure, ils ont calculé une durée de vie de 780 secondes avec une erreur de 130 secondes. Mais comme la collecte de données n'est pas destinée à cette fin, l'incertitude est trop élevée pour déterminer une différence dans la durée de vie des particules. Zhaouen Tang, physicien au Laboratoire national de Los Alamos, met en place une expérience qui est un croisement entre les expériences en bouteille et en faisceau. Au lieu de mesurer les protons à la fin, il mesurera les électrons.
Une approche complètement nouvelle. Mais il semble que toutes les autres options se sont épuisées?
Ou pas?
Nouvelles théories. Des idées radicales à la science-fiction
Bien sûr, il est toujours possible que la différence de mesures indique directement une lacune dans nos connaissances sur cette particule fondamentale - le neutron.
Tang admet qu'il n'a pas l'intention d'arrêterexpériences. « Il y a tellement d’exemples de personnes qui ont observé quelque chose d’extraordinaire et qui ont ensuite simplement imputé cela à l’erreur de ne pas travailler assez dur. » Et quelqu’un d’autre a travaillé et a reçu le prix Nobel.»
Une théorie sur le mystère de la vie du neutron estc'est qu'il est détruit d'une manière que les scientifiques ignorent tout simplement. Il peut se désintégrer en particules différentes de la combinaison familière de proton, d’électron et d’antineutrino. Si tel est le cas, cela explique pourquoi les neutronsdisparaissent dans les expériences en bouteille,mais le montant correspondantprotons non détectés dans les expériences de faisceau.
D'autres idées sont encore plus radicales.
Certains théoriciens suggèrent que les neutronsse désintègre en rayons gamma et en matière noire mystérieuse. La matière noire représente 75% de la matière dans l'univers, mais pour autant que les scientifiques le sachent, elle n'interagit avec la matière ordinaire que par gravité. Pour tester cette théorie, un groupe de scientifiques du LANL a réalisé une version de l'expérience en bouteille dans laquelle ils ont mesuré les neutrons et les rayons gamma. Mais les rayons gamma proposés ne se sont pas matérialisés et les scientifiques n'ont aucune preuve de l'apparition de matière noire à partir des neutrons.
La matière miroir est une autre possibilitéun concept qui ressemble à de la science-fiction. Théoriquement, les neutrons « manquants » peuvent se transformer en neutrons miroirs, c'est-à-dire des copies exactes qui existent dans l'Univers opposé. Se développant différemment de notre Univers, cet Univers miroir serait beaucoup plus froid et l'hélium y prédominerait. Alors que certains scientifiques nucléaires comme Green pensent que c'est « invraisemblable », d'autres souhaitent tester la théorie, juste « juste au cas où ».
« C’est un territoire relativement inexploré.Cela me semble très attrayant parce que j'ai une excellente source de neutrons dans mon jardin », a déclaré Leah Broussard, faisant référence à la source de neutrons de spallation et au réacteur isotopique à haut flux, tous deux appartenant à l'Office of Science du ministère de l'Énergie.
De gauche à droite:Matthew Frost et Leah Broussard, collaborateurs de l'ORNL, travaillent sur un réflectomètre à magnétisme dans une source de neutrons à fission qui est utilisé pour rechercher des neutrons spéculaires. Crédit: Genevieve Martin / Oak Ridge National Laboratory, US Department of Energy.
Pour tester cette théorie, Broussard analysedonnées d'un processus qui simule une expérience de durée de vie du faisceau, mais qui sont réglées pour capturer la signature d'un partenaire neutronique invisible potentiel. En lançant un faisceau de neutrons à travers un champ magnétique spécifique, puis en l'arrêtant avec un matériau qui arrête les neutrons normaux, elle et ses collègues peuvent être en mesure de déterminer si des neutrons miroirs existent.
Quels que soient les résultats, cela a amené celaexpérience, les travaux visant à déterminer la durée de vie des neutrons se poursuivront. « Il est très significatif qu'il y ait autant de tentatives pour mesurer avec précision la durée de vie d'un neutron. Cela témoigne de la réaction très émotionnelle des scientifiques face à l'incohérence dans ce domaine : « Je veux enfin le découvrir ! » » conclut Broussard. « Chaque scientifique est motivé par le désir d’apprendre, le désir de comprendre. »
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