Neuf secondes. Une éternité dans certaines expériences scientifiques; une quantité inimaginablement petite dans le grand schéma de l'univers. Et juste assez longtemps pour déconcerter les physiciens nucléaires qui étudient la durée de vie du neutron.

Le neutron est l'un des éléments constitutifs de la matière, la contrepartie neutre du proton positif. Comme beaucoup d'autres particules subatomiques, le neutron ne dure pas longtemps en dehors du noyau. Pendant environ 15 minutes, il se brise en un proton, un électron, et une minuscule particule appelée anti-neutrino.

Mais combien de temps met le neutron à se désagréger présente un peu de mystère. Une méthode le mesure comme 887,7 secondes, plus ou moins 2,2 secondes. Une autre méthode le mesure comme 878,5 secondes, plus ou moins 0,8 seconde. En premier, cette différence semblait être une question de sensibilité de mesure. C'est peut-être juste ça. Mais alors que les scientifiques continuent d'effectuer une série d'expériences de plus en plus précises pour évaluer les problèmes possibles, l'écart demeure.

Cette persistance conduit à la possibilité que la différence pointe vers un type de physique inconnu. Cela pourrait révéler un processus inconnu dans la désintégration des neutrons. Ou cela pourrait indiquer une science au-delà du modèle standard que les scientifiques utilisent actuellement pour expliquer toute la physique des particules. Il existe un certain nombre de phénomènes que le modèle standard n'explique pas entièrement et cette différence pourrait indiquer la voie à suivre pour répondre à ces questions.

Pour démêler cette étrange disparité, le Bureau des sciences du ministère de l'Énergie (DOE) travaille avec d'autres agences fédérales, laboratoires nationaux, et les universités pour déterminer la durée de vie des neutrons.

Une quantité fondamentale

Les physiciens nucléaires ont commencé à étudier la durée de vie des neutrons en raison de son rôle essentiel en physique. "Il y a des quantités fondamentales dans la nature qui semblent toujours importantes, " a déclaré Geoff Greene, Professeur et physicien de l'Université du Tennessee au laboratoire national d'Oak Ridge du DOE. Il a fait des recherches sur la durée de vie des neutrons pendant une grande partie de sa vie, environ 40 ans. "Les théories vont et viennent, mais la durée de vie des neutrons semble rester un paramètre central dans une variété de choses."

Le neutron est un guide utile pour comprendre les autres particules. C'est la particule la plus simple qui soit radioactive, ce qui signifie qu'il se décompose régulièrement en d'autres particules. En tant que tel, il fournit beaucoup de perspicacité dans la force faible, la force qui détermine si les neutrons se transforment ou non en protons. Souvent, ce processus libère de l'énergie et provoque la rupture des noyaux. Les interactions de la force faible jouent également un rôle important dans la fusion nucléaire, où deux protons se combinent.

La durée de vie des neutrons peut également donner un aperçu de ce qui s'est passé quelques instants après le Big Bang. Quelques secondes après la formation des protons et des neutrons mais avant qu'ils ne se rejoignent en éléments, il y avait un peu de timing précis. L'univers se refroidissait rapidement. À un certain point, il est devenu suffisamment froid pour que les protons et les neutrons se joignent presque instantanément pour former de l'hélium et de l'hydrogène. Si les neutrons se désintégraient un peu plus vite ou plus lentement en protons, cela aurait des effets considérables sur ce processus. Il y aurait un équilibre très différent des éléments dans l'univers; il est probable que la vie n'existerait pas.

"C'est un de ces accidents fortuits de la nature que nous ayons des éléments chimiques du tout, " dit Greene.

Les scientifiques aimeraient avoir un nombre solide pour la durée de vie des neutrons à brancher sur ces équations. Ils ont besoin de l'incertitude de la durée de vie à moins d'une seconde. Mais obtenir cette certitude est plus difficile qu'il n'y paraissait au départ. "La durée de vie des neutrons est l'un des paramètres fondamentaux les moins connus du modèle standard, " dit Zhaowen Tang, un physicien au Laboratoire national de Los Alamos (LANL) du DOE.

Des expériences individuelles ont pu atteindre ce niveau de précision. Mais l'incongruité entre les différents types d'expériences empêche les scientifiques de déterminer un nombre spécifique.

Découvrir un écart

Découvrir qu'il y avait une différence est né du désir des physiciens d'être exhaustif. L'utilisation de deux ou plusieurs méthodes pour mesurer la même quantité est le meilleur moyen de garantir une mesure précise. Mais les scientifiques ne peuvent pas mettre des minuteries sur les neutrons pour voir à quelle vitesse ils se désagrègent. Au lieu, ils trouvent des moyens de mesurer les neutrons avant et après leur désintégration pour calculer la durée de vie.

Les expériences de faisceau utilisent des machines qui créent des flux de neutrons. Les scientifiques mesurent le nombre de neutrons dans un volume spécifique du faisceau. Ils envoient ensuite le flux à travers un champ magnétique et dans un piège à particules formé par un champ électrique et magnétique. Les neutrons se désintègrent dans le piège, où les scientifiques mesurent le nombre de protons restants au final.

"L'expérience du faisceau est un moyen très difficile de faire une mesure de précision, " a déclaré Shannon Hoogerheide, un physicien au National Institute of Standards and Technology (NIST), qui a collaboré avec des scientifiques du DOE. "La mesure du faisceau n'en nécessite pas une, mais deux mesures absolues."

En revanche, des expériences en bouteille piègent les neutrons ultra-froids dans un conteneur. Les neutrons ultra-froids se déplacent beaucoup plus lentement que les neutrons normaux :quelques mètres par seconde comparés aux 10 millions de mètres par seconde des réactions de fission. Les scientifiques mesurent le nombre de neutrons dans le conteneur au début, puis à nouveau après une certaine période de temps. En examinant la différence, ils peuvent calculer à quelle vitesse les neutrons se désintègrent.

"L'expérience de la bouteille mesure les survivants, l'expérience du faisceau mesure les morts, " a déclaré Greene. " L'expérience de la bouteille semble facile mais est en réalité très difficile. D'autre part, l'expérience du faisceau sonne dur et est difficile."

Une expérience de faisceau au NIST en 2005 (avec le soutien du DOE) et une expérience en bouteille en France peu de temps après ont révélé la différence de mesure. Depuis, des expériences ont tenté de réduire l'espace entre les deux en minimisant autant d'incertitudes que possible.

Greene et ses collaborateurs ont pris de nouvelles mesures en 2013 au NIST qui les ont aidés à recalculer l'expérience de faisceau de 2005 avec encore plus de précision. À ce moment-là, les scientifiques avaient réalisé cinq expériences en bouteille et deux expériences avec faisceau. Greene était convaincu que les expériences de faisceaux précédentes avaient manqué l'une des plus grandes sources d'incertitude :le comptage précis du nombre de neutrons dans le faisceau. Ils ont amélioré leur mesure de cette variable pour la rendre cinq fois plus précise. Mais huit années de travail acharné leur ont laissé presque exactement le même écart de résultats.

Les physiciens travaillant sur des expériences de bouteilles ont été confrontés à leurs propres difficultés. L'un des plus grands défis était d'empêcher les neutrons de se perdre à cause des interactions avec le matériau dont est fait le conteneur. Une fuite modifie le nombre de neutrons à la fin et perturbe le calcul de la durée de vie.

Pour résoudre ce problème, l'expérience de bouteille la plus récente au LANL (qui a été soutenue par l'Office of Science) a éliminé les murs physiques. Au lieu, les physiciens nucléaires ont utilisé des champs magnétiques et la gravité pour maintenir les neutrons en place. "J'étais dans le camp de, si on fait ça, nous pourrions faire en sorte qu'un neutron vive plus longtemps et concorde avec la durée de vie du faisceau, " dit Chen-Yu Liu, un professeur de l'Université de l'Indiana qui a dirigé l'expérience. "C'était mon parti pris personnel."

Mais la différence est restée. "Ce fut un grand choc pour moi, " elle a dit, décrivant le résultat publié en 2018. Les chances que cette différence se produise par hasard sont inférieures à un sur 10, 000. Mais cela pourrait toujours être causé par un défaut dans les expériences.

À la recherche de la cause profonde

Les scientifiques sont confrontés à deux types d'incertitudes ou d'erreurs dans les expériences :statistiques ou systématiques. Les erreurs statistiques proviennent du manque de données pour tirer des conclusions solides. Si vous pouvez obtenir plus de données, vous pouvez réduire ces erreurs de manière fiable. Les erreurs systématiques sont des incertitudes fondamentales avec l'expérience. À plusieurs reprises, ils sont loin d'être évidents. Les deux types d'expériences sur la durée de vie des neurones ont des erreurs systématiques potentielles très différentes. Les expériences seraient un excellent contrôle les unes sur les autres si les résultats concordaient. Mais il est diablement difficile de comprendre pourquoi ils ne le font pas.

"Le plus difficile dans la mesure de la durée de vie des neutrons est qu'elle est à la fois trop courte et trop longue, " a déclaré Hoogerheide. " Il s'avère que 15 minutes est un temps vraiment difficile à mesurer en physique. "

Les scientifiques nucléaires poursuivent donc leurs travaux pour collecter davantage de données et minimiser les erreurs systématiques.

"L'une des choses que je trouve les plus amusantes dans mon domaine est l'attention exquise aux détails requise et à quel point vous devez comprendre chaque aspect de votre expérience afin de faire une mesure fiable, " dit Léa Broussard, un physicien nucléaire à l'ORNL.

Au NIST, Hoogerheide, Greene, et d'autres mènent une nouvelle expérience de faisceau qui examine chaque problème possible de la manière la plus complète possible. Malheureusement, chaque ajustement affecte les autres, c'est donc deux pas en avant, un pas en arrière.

D'autres efforts portent sur de nouvelles façons de mesurer la durée de vie des neutrons. Des chercheurs de l'Université Johns Hopkins et de l'Université de Durham au Royaume-Uni, soutenus par le DOE, ont découvert comment utiliser les données de la NASA pour mesurer la durée de vie des neutrons. Sur la base des neutrons provenant de Vénus et de Mercure, ils ont calculé une durée de vie de 780 secondes avec une incertitude de 130 secondes. Mais parce que la collecte de données n'a pas été conçue à cette fin, l'incertitude est trop élevée pour résoudre la différence de durée de vie. Au LANL, Tang met en place une expérience qui est un croisement entre les expériences de la bouteille et du faisceau. Au lieu de mesurer des protons à la fin, il mesurera les électrons.

Des possibilités exotiques vous attendent

Il est également possible que la différence révèle une lacune dans notre connaissance de cette particule fondamentale.

"Nous ne pouvons laisser aucune pierre non retournée, " dit Tang. " Il y a tellement d'exemples de gens qui ont vu quelque chose, juste jeté quelque chose à une erreur, pas assez travaillé dessus, et quelqu'un d'autre l'a fait et ils ont obtenu le prix Nobel."

Une théorie est que le neutron se décompose d'une manière dont les scientifiques ne sont tout simplement pas conscients. Il peut se décomposer en différentes particules que le proton familier, électron, et combinaison anti-neutrino. Si c'est le cas, cela expliquerait pourquoi les neutrons disparaissent dans les expériences sur les bouteilles mais que le nombre correspondant de protons n'apparaît pas dans les expériences sur les faisceaux.

D'autres idées sont encore plus radicales. Certains théoriciens ont proposé que les neutrons se décomposent en rayons gamma et en matière noire mystérieuse. La matière noire représente 75 pour cent de la matière de l'univers, pourtant, pour autant que nous le sachions, n'interagit qu'avec la matière ordinaire via la gravité. Pour tester cette théorie, un groupe de scientifiques du LANL a réalisé une version de l'expérience de la bouteille où ils ont mesuré à la fois les neutrons et les rayons gamma. Mais les rayons gamma proposés ne se sont pas matérialisés, laissant les scientifiques sans preuve de la matière noire des neutrons.

La matière miroir est un autre concept possible qui ressemble à de la science-fiction. En théorie, les neutrons "manquants" pourraient se transformer en neutrons miroirs, copies parfaites qui existent dans un univers opposé. Ayant évolué différemment de notre univers, cet univers miroir serait beaucoup plus froid et dominé par l'hélium. Alors que certains scientifiques nucléaires comme Greene pensent que c'est « invraisemblable, " d'autres sont intéressés à le tester au cas où.

"C'est un territoire relativement inexploré. C'est très convaincant pour moi parce que j'ai une grande source de neutrons dans mon jardin, " dit Broussard, se référant à la source de neutrons de spallation et au réacteur à isotope à haut flux, les deux installations d'utilisateurs du DOE Office of Science à l'ORNL.

Pour tester cette théorie, Broussard analyse les données d'une expérience qui imite les expériences de durée de vie du faisceau, mais ajusté pour capter un signe du partenaire invisible potentiel du neutron. En projetant 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 devraient être capables de détecter s'il existe ou non des neutrons miroirs.

Quels que soient les résultats de cette expérience, le travail pour comprendre la durée de vie des neutrons se poursuivra. « C'est très révélateur qu'il y ait tant de tentatives pour mesurer avec précision la durée de vie des neutrons. Cela vous indique la réaction émotionnelle des scientifiques à un écart sur le terrain - « Je veux explorer cela ! » a déclaré Broussard. « Chaque scientifique est motivé par le désir d'apprendre, le désir de comprendre."