Toute matière composant les étoiles, notre planète et la vie qu'elle abrite ont vu le jour il y a 13,8 milliards d'années à la suite du Big Bang. Une milliseconde après le Big Bang, des neutrons et des protons se sont formés et ont commencé à fusionner en petits noyaux atomiques. C'est ce qu'on appelle l'ère de la nucléosynthèse du Big Bang (BBN). Pendant le BBN, protons (hydrogène), les principaux éléments constitutifs des étoiles, combinés avec des neutrons pour former de l'hélium et d'autres éléments légers. Tout cela s'est passé dans le premier, approximativement, 20 minutes de ce nouvel univers.

Neutrons, bien que, sont intrinsèquement instables (où la durée de vie, , dure environ 881 secondes) et ne durent pas longtemps en dehors d'un noyau atomique. Parce que le neutron se désintègre sur une échelle de temps similaire à la période de BBN, des simulations précises de l'ère BBN nécessitent une connaissance approfondie de la durée de vie des neutrons, le temps moyen nécessaire à un neutron pour se désintégrer, mais cette valeur n'est pas encore connue avec précision. Cette semaine dans le journal Examen des instruments scientifiques , des scientifiques du Los Alamos National Lab (LANL) rapportent une nouvelle méthode passionnante pour le mesurer.

Les mesures de la durée de vie des neutrons et les simulations précises du BBN nécessitent de libérer les vieux neutrons de leurs cages nucléaires. Christopher Morris du LANL et auteur de la nouvelle étude a expliqué que les neutrons ont été essentiellement "fossilisés" dans les noyaux des atomes. En étudiant ces « particules fossiles, " alors, peut donner un aperçu des premiers moments de l'existence de l'univers.

Au moment où BBN a pris fin, la plupart des neutrons étaient enfermés dans les noyaux des atomes d'hélium. Aujourd'hui, presque toute la matière dans l'univers est encore proche du rapport délicat initial de l'hélium à l'hydrogène. Le rapport est important car il détermine à quelle vitesse notre soleil brûle l'hydrogène, alimenter la vie sur terre.

Le nombre de neutrons sur Terre est le résultat direct du BBN et des processus ultérieurs qui se sont produits dans les étoiles anciennes. Il y a 4,5 milliards d'années, il y avait enfin assez de neutrons pour former des planètes rocheuses, comme la Terre, et des éléments comme le carbone et l'oxygène, indispensable à la vie.

Morris a expliqué qu'il existe deux façons de mesurer la durée de vie des neutrons :la première consiste à compter le nombre de protons produits lorsque les neutrons froids se désintègrent dans un faisceau. La seconde est de piéger les neutrons dans une bouteille métallique, avec des champs magnétiques ou même par gravité, semblable à la façon dont l'eau est "piégée" dans une baignoire. La méthode que son groupe a développée utilise un piège magnéto-gravitationnel impliquant une combinaison d'aimants et de gravité.

L'approche de piégeage utilise des particules très froides, les neutrons dits ultrafroids, ou UCN. Soit les parois du contenant de la bouteille, soit un champ magnétique repoussent les UCN neutres, les faisant planer dans l'appareil. Selon la physique standard, la seule voie d'échappement de ces neutrons est la désintégration en un proton et un électron.

Le nouvel appareil, assemblé au LANL, implique un piège magnétique-gravitationnel avec une forme conçue spécifiquement pour agiter les neutrons lorsqu'ils remplissent le piège. Cela évite des problèmes dans des expériences antérieures où des neutrons lents remplissaient des parties du piège de manière inégale, résultant en des mesures de durée de vie éventuellement fausses.

Des expériences précédentes avec des faisceaux et des conteneurs semblaient donner des durées de vie des neutrons très différentes, la mesure la plus précise à l'aide d'un piège à bouteille diffère de près de quatre écarts-types de celle mesurée dans un faisceau. Dans les résultats publiés cette semaine, Morris et ses collègues rapportent une durée de vie des neutrons de 878 secondes, très proche de celle trouvée dans les pièges à bouteilles en matériau mais très différente de la durée de vie des neutrons mesurée dans les faisceaux.

La différence entre les mesures du faisceau et de la bouteille peut être due à une erreur encore non identifiée. Morris suggère qu'une explication plus exotique est que les neutrons disparaissent du faisceau sans jamais produire de proton. Cela soulève la perspective que la notion quelque peu controversée et encore mystérieuse de matière noire pourrait être impliquée. Des études futures exploreront ces possibilités intrigantes.