Une étude menée en partie par des physiciens du Centre universitaire d'Indiana pour l'exploration de l'énergie et de la matière pourrait fournir de nouvelles informations sur la composition de l'univers immédiatement après le Big Bang, ainsi qu'améliorer les calculs utilisés pour prédire la durée de vie des étoiles et décrire les règles qui régissent le monde subatomique.

L'étude, publié le 11 mai dans la revue Science , rapporte un moyen très précis de mesurer le taux de désintégration des neutrons. Un auteur de l'étude, Chen Yu Liu, est professeur au département de physique du IU Bloomington College of Arts and Sciences.

"C'est une amélioration significative par rapport aux expériences précédentes, " dit Liu, qui est un chef de file de l'expérience UNCtau, qui utilise les neutrons de la source de neutrons ultrafroids du Los Alamos Neutron Science Center au Laboratoire national de Los Alamos au Nouveau-Mexique. « Les données sont bien plus précises que ce que nous avions auparavant. »

Le taux de désintégration des neutrons, particules subatomiques sans charge, est significatif car il permet de prédire la proportion d'hydrogène et d'hélium dans l'univers quelques minutes après le Big Bang. Le nombre affecte également les calculs utilisés pour déterminer à quelle vitesse les atomes d'hydrogène brûlent à l'intérieur des étoiles et les règles qui contrôlent les particules élémentaires comme les quarks et les gluons. En effet, lors de la désintégration des neutrons, un quark "up" se transforme en un quark "down", un processus que les physiciens ne comprennent pas encore complètement.

Les scientifiques utilisent actuellement deux méthodes pour isoler les neutrons et calculer leurs taux de désintégration :

• La méthode « bouteille » :compter le nombre de neutrons qui restent dans le temps après avoir été piégés à l'intérieur d'un conteneur.
• La méthode du « faisceau » :Mesure du taux de protons qui émergent d'un faisceau de neutrons généré par un réacteur nucléaire.

Certains physiciens considèrent la méthode du faisceau comme plus précise car la méthode de la bouteille risque de méconnaître les neutrons absorbés dans le conteneur comme disparaissant de la désintégration. Mais l'étude de Liu et de ses collègues utilise un conteneur invisible fabriqué à partir de champs magnétiques et de gravité pour éliminer le risque d'interférence du matériel physique. Par conséquent, l'expérience peut mesurer la durée de vie d'un neutron avec un haut niveau de précision.

"Un neutron pourrait techniquement vivre à l'intérieur de notre piège pendant trois semaines, qui est beaucoup plus long que tout autre piège « bouteille » précédemment construit, " a déclaré Liu. " Cette longue durée de vie du piège est ce qui permet d'obtenir une mesure très précise. "

L'utilisation d'un "piège magnéto-gravitationnel, " dans laquelle la charge magnétique et la masse des neutrons les empêchent de sortir de leur conteneur, facilite également la mesure des neutrons car la bouteille est "sans couvercle, " dit Liu.

Le laboratoire de Liu a rejoint l'expérience UNCtau en 2011 pour aider à redynamiser le projet. Les travaux ont nécessité cinq ans de conception, fabriquer, tester et installer leurs équipements à la source de neutrons de Los Alamos, après quoi l'équipe a commencé à mener des expériences et à collecter des données. Les membres du laboratoire de Liu se rendent régulièrement au Nouveau-Mexique pour tester l'équipement, faire des expériences et enregistrer les résultats.

"Cinq ans pour faire tourner une expérimentation et produire des données, c'est très rapide dans notre domaine, " a déclaré Liu. " Nous avons passé environ six mois sur le site et six mois à créer du matériel chaque année. C'était vraiment un cycle de prototypage rapide et d'amélioration. Nous n'aurions jamais pu rénover la technologie sans le soutien mécanique et technique disponible au Centre IU pour l'exploration de l'énergie et de la matière. »