Le problème de la durée de vie des neutrons et sa solution possible

Les neutrons font partie des éléments de base de la matière. Tant qu’ils font partie d’un noyau atomique stable, ils peuvent y rester pendant des périodes de temps arbitraires. Cependant, la situation est différente pour les neutrons libres : ils se désintègrent après environ 15 minutes en moyenne.

Curieusement, cependant, différents résultats contradictoires ont été obtenus pour cette durée de vie moyenne des neutrons libres, selon que les neutrons sont mesurés dans un faisceau de neutrons ou dans une sorte de « bouteille ».

Une équipe de recherche de la TU Wien a proposé une explication possible : il pourrait y avoir des états excités du neutron jusqu’alors inconnus. Cela signifierait que certains neutrons pourraient se trouver dans un état dans lequel ils auraient un peu plus d’énergie et une durée de vie légèrement différente. Cela pourrait expliquer les écarts mesurés.

La proposition est publié dans la revue Examen physique D. Et l’équipe a déjà des idées sur la façon de détecter cet état des neutrons.

Deux méthodes de mesure, deux résultats

Par pur hasard, sans aucune raison, les neutrons peuvent se désintégrer spontanément selon les lois de la théorie quantique, se transformant en proton, en électron et en antineutrino. Ceci est particulièrement probable s’il s’agit d’un neutron libre. Si le neutron se combine avec d’autres particules pour former un noyau atomique, il peut être stable.

La durée de vie moyenne des neutrons libres est étonnamment difficile à mesurer. « Depuis près de 30 ans, les physiciens sont intrigués par les résultats contradictoires sur ce sujet », explique Benjamin Koch de l’Institut de physique théorique de la TU Wien.

Il a analysé cette énigme avec son collègue Felix Hummel. Les deux hommes travaillent également en étroite collaboration avec l’équipe de recherche sur les neutrons dirigée par Hartmut Abele de l’Institut atomique de la TU Wien.

« Pour de telles mesures, un réacteur nucléaire est souvent utilisé comme source de neutrons », explique Koch. « Des neutrons libres sont produits lors de la désintégration radioactive dans le réacteur. Ces neutrons libres peuvent ensuite être canalisés vers un faisceau de neutrons où ils peuvent être mesurés avec précision. »

On peut mesurer combien de neutrons sont présents au début du faisceau de neutrons et combien de protons sont produits par le processus de désintégration. Si ces valeurs sont déterminées très précisément, la durée de vie moyenne des neutrons dans le faisceau peut être calculée.

Mais il est également possible d’adopter une approche différente et d’essayer de stocker les neutrons dans une sorte de « bouteille », par exemple à l’aide de champs magnétiques. « Cela montre que les neutrons émis par le faisceau de neutrons vivent environ huit secondes de plus que les neutrons contenus dans une bouteille », explique Koch.

« Avec une durée de vie moyenne d’un peu moins de 900 secondes, il s’agit d’une différence significative, bien trop importante pour être expliquée par une simple imprécision des mesures. »

Un nouvel état inconnu ?

Selon Koch et Hummel, cette divergence peut s’expliquer si l’on suppose que les neutrons peuvent avoir des états excités – des états jusqu’alors inconnus avec une énergie légèrement plus élevée. De tels états sont bien connus pour les atomes et constituent par exemple la base des lasers.

« Avec les neutrons, il est beaucoup plus difficile de calculer précisément de tels états », explique Koch. « Cependant, nous pouvons estimer quelles propriétés ils devraient avoir afin d’expliquer les différents résultats des mesures de la durée de vie des neutrons. »

L’hypothèse des chercheurs est que lorsque les neutrons libres émergent de la désintégration radioactive, ils se trouvent initialement dans un mélange de différents états : certains d’entre eux sont des neutrons ordinaires dans ce qu’on appelle l’état fondamental, mais d’autres sont dans un état excité, avec un peu plus d’énergie. Cependant, au fil du temps, ces neutrons excités passent progressivement à l’état fondamental.

« Vous pouvez y penser comme à un bain moussant », explique Hummel. « Si j’ajoute de l’énergie et que je la fais bouillonner, beaucoup de mousse est créée. On pourrait dire que j’ai mis le bain moussant dans un état excité. Mais si j’attends, les bulles éclatent et le bain revient tout à coup à son état d’origine. lui-même. »

Si la théorie sur les états de neutrons excités est correcte, cela signifierait que dans un faisceau de neutrons, plusieurs états de neutrons différents sont présents en nombre significatif. Les neutrons contenus dans la bouteille, en revanche, seraient presque exclusivement des neutrons de l’état fondamental. Après tout, il faut du temps pour que les neutrons refroidissent et soient capturés dans une bouteille. À ce stade, la grande majorité sera déjà revenue à son état fondamental.

« Selon notre modèle, la probabilité de désintégration d’un neutron dépend fortement de son état », explique Hummel. Logiquement, cela se traduit également par des durées de vie moyennes différentes pour les neutrons dans le faisceau de neutrons et pour les neutrons dans la bouteille à neutrons.

D’autres expériences sont nécessaires

« Notre modèle de calcul montre la plage de paramètres dans laquelle nous devons rechercher », explique Koch. « La durée de vie de l’état excité doit être inférieure à 300 secondes, sinon la différence ne peut pas être expliquée. Mais elle doit également être supérieure à 5 millisecondes, sinon les neutrons seraient déjà de retour à l’état fondamental avant d’atteindre le faisceau. expérience. »

L’hypothèse d’états neutroniques jusqu’alors inconnus peut être testée à l’aide des données d’expériences antérieures. Cependant, ces données doivent être réévaluées et des expériences supplémentaires seront nécessaires pour obtenir une preuve convaincante. De telles expériences sont désormais planifiées.

À cette fin, les chercheurs travaillent en étroite collaboration avec les équipes de l’Institut de physique atomique et subatomique de la TU Wien, dont les expériences PERC et PERKEO sont bien adaptées à cette tâche. Des groupes de recherche de Suisse et de Los Alamos aux États-Unis ont également déjà manifesté leur intérêt pour l’utilisation de leurs méthodes de mesure pour tester la nouvelle hypothèse.

Techniquement et conceptuellement, rien ne s’oppose aux mesures nécessaires. Nous pouvons donc espérer savoir bientôt si la nouvelle thèse a réellement résolu un problème de physique vieux de plusieurs décennies.