Deux méthodes de mesure de la vie des neutrons donnent des résultats différents, ce qui crée une incertitude dans les modèles cosmologiques. Mais personne ne sait quel est le problème
Lorsque les physiciens saisissent les neutrons des noyaux atomiques, les mettent dans une bouteille et calculent combien de neutrons y restent après un certain temps, ils supposent que les neutrons subissent une désintégration radioactive après une moyenne de 14 minutes 39 secondes. Mais lorsque d'autres physiciens créent des rayons neutroniques 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.
Des écarts entre les mesures dans la bouteille et le faisceau existent depuis que les méthodes de calcul de la durée de vie des neutrons ont commencé à donner leurs résultats dans les années 1990. Au début, toutes les mesures étaient si inexactes que personne ne s'en inquiétait. Mais peu à peu, les deux méthodes se sont améliorées et ont encore divergé dans les estimations. Les chercheurs du Los Alamos National Laboratory ont maintenant effectué la mesure de bouteille la plus précise de la durée de vie des neutrons en utilisant un nouveau type de bouteille qui élimine les sources possibles d'erreur inhérentes aux conceptions précédentes. Le résultat, qui paraîtra bientôt dans la revue Science, renforce la différence avec les mesures dans les expériences avec des rayons et augmente les chances d'apparition d'une nouvelle physique au lieu d'une simple erreur dans l'expérience.
Mais quel genre de nouvelle physique? En janvier, deux physiciens théoriciens ont avancé une hypothèse passionnante sur la raison de l'écart mentionné. Bartots Fornal et Benjamin Greenstein de l'Université de Californie à San Diego soutiennent que les neutrons peuvent parfois se désintégrer en matière noire - des particules invisibles qui représentent jusqu'à six septièmes de la matière entière de l'Univers, compte tenu de leur influence gravitationnelle, tout en s'échappant pendant des décennies de leurs recherches expérimentales . Si les neutrons se transforment parfois mystérieusement en particules de matière noire au lieu de protons, ils doivent disparaître des bouteilles plus rapidement que les protons n'apparaissent dans les rayons - et c'est exactement ce qui se passe.
Une expérience à UNCtau à Los Alamos utilisant une méthode de bouteille pour mesurer la durée de vie des neutronsFornal et Greenstein ont déterminé que dans le cas le plus simple, la masse d'une hypothétique particule de matière noire devrait se situer entre 937,9 et 938,8 MeV, et qu'un neutron se désintégrant en une telle particule émettra un rayon gamma d'une certaine énergie. "Il s'agit d'un signal très spécifique qui peut être recherché lors d'expériences", a déclaré Fornal dans une interview.
L'équipe de l'expérience UCNtau à Los Alamos - du nom des neutrons ultra-froids et du tau, la lettre grecque pour la durée de vie des neutrons - a entendu parler du travail de Fornal et Greenstein le mois dernier alors qu'elle se préparait pour la prochaine approche expérimentale. Presque immédiatement, Zhaowen Tang et Chris Morris, les collaborateurs, ont réalisé qu'ils pouvaient visser un détecteur de germanium à leur bouteille pour détecter les rayons gamma de la désintégration des neutrons. "Zhao Wen est allé faire un stand, nous avons collecté les pièces nécessaires à notre détecteur, les avons placées à côté du réservoir et avons commencé à collecter des données", a déclaré Morris.
L'analyse des données a également été effectuée rapidement. Le 7 février, juste un mois après l'apparition des hypothèses Fornal et Greenstein, l'équipe UCNtau a rendu compte des résultats des tests expérimentaux sur arxiv.org. Ils affirment avoir exclu la présence de rayons gamma caractéristiques avec une certitude de 99%. Parlant du résultat, Fornal a noté qu'ils n'excluaient pas complètement l'hypothèse de la matière noire: il existe une autre option dans laquelle le neutron se désintègre en deux particules de matière noire, au lieu d'une particule et d'un rayon gamma. Mais sans preuves expérimentales claires, cette option sera beaucoup plus difficile à vérifier.
Le détecteur de protons de l'Institut national des normes et de la technologie utilisé dans la méthode de rayonnementAucune trace de matière noire n'a été trouvée. Cependant, l'écart dans la durée de vie des neutrons est clairement défini comme jamais auparavant. Et que le neutron vive en moyenne 14 minutes 39 secondes ou 48 secondes, est d'une grande importance.
Les physiciens doivent connaître la durée de vie des neutrons pour calculer la quantité relative d'hydrogène et d'hélium qui est apparue dans les premières minutes de l'univers. Les neutrons plus rapides se sont désintégrés en protons à ce moment-là, moins ils auraient dû rester plus tard lorsqu'ils ont été intégrés dans des noyaux d'hélium. "L'équilibre de l'hydrogène et de l'hélium est le premier de nombreux tests sensibles de la dynamique du Big Bang", a déclaré Jeffrey Green, physicien nucléaire à l'Université du Tennessee et au Oak Ridge National Laboratory, "et il explique comment les étoiles se formeront au cours des prochains milliards d'années." «Parce que les galaxies contenant plus d'hydrogène forment des étoiles plus massives et finalement plus explosives. Par conséquent, la durée de vie des neutrons affecte les prédictions de l'avenir lointain de l'univers.
De plus, les neutrons et les protons sont des particules élémentaires composites constituées de quarks maintenus ensemble par des gluons. En dehors des noyaux atomiques stables, un neutron se désintègre lorsque l'un de ses quarks inférieurs connaît une désintégration nucléaire faible et se transforme en un quark supérieur, qui transforme un neutron en un proton chargé positivement et génère un électron et un antineutrino chargés négativement. Les quarks et les gluons ne peuvent pas être étudiés séparément, donc la désintégration des neutrons, comme le dit Green, "est notre meilleur substitut pour étudier les interactions élémentaires des quarks."
Une affaire prolongée avec une incertitude de neuf secondes sur la durée de vie des neutrons doit être résolue. Mais personne n'a la moindre idée du problème. Green, un vétéran des expériences de radiation, a déclaré: "Nous avons tous soigneusement étudié les expériences des uns et des autres, et si nous avions su quel était le problème, nous l'aurions trouvé."
Vertical - durée de vie des neutrons en secondes. Les résultats des expériences avec des rayons sont marqués en rouge et bleu avec des bouteilles.Pour la première fois, cet écart est devenu un problème grave en 2005, lorsqu'un groupe dirigé par Anatoly Serebrov de l'
Institut de physique nucléaire et de physique de
Saint-Pétersbourg du National Institute of Standards and Technology (NIST) à Gaithersburg, Maryland, respectivement, a rapporté les résultats des mesures sur les bouteilles et les rayons eux-mêmes. eux-mêmes très précis - l'erreur de bouteille a été estimée à une seconde, et l'erreur de rayonnement - à trois secondes - mais différant de huit secondes.
Après de nombreuses améliorations des schémas de travail, des contrôles indépendants et un brossage réfléchi des scientifiques, la différence entre le temps moyen pour une bouteille et un faisceau n'a augmenté que légèrement - jusqu'à neuf secondes - et les erreurs ont diminué. Selon Peter Geltenbort, physicien nucléaire à l'Institut Laue Langevin en France, qui a travaillé dans l'équipe de Serebrov en 2005 et travaille maintenant à UCNtau, il s'avère que deux options sont possibles: «Soit nous avons une nouvelle physique très exotique, soit nous avons tous surestimé la précision mesures ".
Les scientifiques du NIST et d'autres laboratoires ont travaillé sur les rayons pour trier et minimiser de nombreuses sources d'incertitude dans les expériences, y compris l'intensité du faisceau de neutrons, le volume du détecteur à travers lequel il passe et l'efficacité du détecteur qui capte les protons générés par la décomposition des neutrons sur toute la longueur du faisceau. Pendant des années, Green a été particulièrement sceptique quant aux mesures de l'intensité du faisceau, mais des vérifications indépendantes ont éliminé les doutes. "Maintenant, je n'ai pas de meilleur candidat pour un phénomène systématique que nous n'avons pas remarqué", a-t-il déclaré.
Quant aux bouteilles, les experts soupçonnaient que les neutrons pourraient être absorbés par les parois des bouteilles, malgré leur revêtement avec un matériau lisse et réfléchissant, même après avoir ajusté les absorbances en redimensionnant les bouteilles. De plus, il peut manquer quelque chose dans la manière standard de calculer le nombre de neutrons survivant dans une bouteille.
Mais une nouvelle expérience à UCNtau a exclu les deux explications. Au lieu de stocker des neutrons dans des bouteilles en matériau, les scientifiques les ont capturés à l'aide de champs magnétiques. Et au lieu de déplacer les neutrons survivants vers un détecteur externe, ils ont utilisé un détecteur local immergé dans une bouteille magnétique et absorbant rapidement tous les neurones à l'intérieur. Chaque absorption est caractérisée par un flash de lumière, qui est enregistré par des photocellules. Cependant, leur résultat final a confirmé les résultats de l'expérience précédente.
Il ne reste plus qu'à avancer. "Tout le monde passe", a déclaré Morris. Lui et l'équipe d'UCNtau continuent de collecter des données et de terminer l'analyse, qui comprend deux fois plus de données que le travail qui paraîtra bientôt dans la revue Science. Ils ont l'intention de mesurer le tau avec une erreur de seulement 0,2 seconde. En ce qui concerne les rayons, une équipe du NIST dirigée par Jeffrey Niko recueille maintenant des données et s'attend à ce que les résultats apparaissent dans deux ans, et l'erreur sera limitée à une seconde - alors qu'au Japon, son expérience, J-PARC.
Le NIST et le J-PARC confirmeront le résultat de UCNtau, ayant déterminé à jamais la durée de vie des neutrons, ou cette saga continuera.
"Cette tension, motivée par la divergence de deux méthodes indépendantes, motive l'amélioration des expériences", a déclaré Green. Si une seule des technologies était développée, une bouteille ou un rayon, les physiciens pourraient agir davantage avec la mauvaise valeur pour le tau intégré dans leurs calculs. «L'avantage d'avoir deux méthodes indépendantes est qu'elles conservent l'honnêteté. Lorsque je travaillais au National Bureau of Standards, il y avait un dicton: «Une personne avec une montre sait toujours exactement quelle heure il est; un homme avec deux heures n'est jamais sûr. "