Les scientifiques ont trouvé pour la première fois un moyen de mesurer la durée de vie des neutrons depuis l'espace, une découverte qui pourrait nous en apprendre davantage sur l'univers primitif.

Connaître la durée de vie des neutrons est essentiel pour comprendre la formation des éléments après le Big Bang qui a formé l'univers il y a 13,8 milliards d'années.

Des scientifiques de l'Université de Durham, ROYAUME-UNI, et le laboratoire de physique appliquée Johns Hopkins, ETATS-UNIS, utilisé les données de MErcury Surface de la NASA, Environnement spatial, GEOchimie, et Range (MESSENGER) pour faire leur découverte.

Pendant que MESSENGER survolait Vénus et Mercure, il mesurait les vitesses auxquelles les particules de neutrons s'échappaient des deux planètes.

Le nombre de neutrons détectés dépendait du temps qu'il leur fallait pour voler jusqu'à l'engin spatial par rapport à la durée de vie des neutrons, donnant aux scientifiques un moyen de calculer combien de temps les particules subatomiques pourraient survivre.

Les résultats, publié dans la revue Examen physique de la recherche , pourrait fournir une voie pour mettre fin à une impasse de plusieurs décennies qui a vu les chercheurs ne s'entendre pas, en quelques secondes, sur la durée de survie des neutrons.

Dr Vincent Eke, à l'Institut de cosmologie computationnelle, à l'Université de Durham, a déclaré : « La durée de vie des neutrons libres fournit un test clé du modèle standard de la physique des particules, et cela affecte également les abondances relatives d'hydrogène et d'hélium formés dans l'univers primitif quelques minutes seulement après le Big Bang, il a donc des implications de grande envergure.

"Les méthodes spatiales offrent la possibilité de sortir de l'impasse entre les deux techniques de mesure concurrentes basées sur la Terre."

Les neutrons se trouvent normalement dans le noyau d'un atome, mais se désintègrent rapidement en électrons et protons lorsqu'ils se trouvent à l'extérieur de l'atome.

Les scientifiques ont déjà utilisé deux méthodes en laboratoire - la technique dite de la "méthode de la bouteille" et la technique du "faisceau" - pour essayer de déterminer la durée de vie des neutrons.

La méthode de la bouteille - qui piège les neutrons dans une bouteille et mesure le temps nécessaire à leur radioactivité pour se désintégrer - suggère qu'ils peuvent survivre en moyenne pendant 14 minutes 39 secondes.

En utilisant la technique du faisceau alternatif - qui tire un faisceau de neutrons et compte le nombre de protons créés par la désintégration radioactive - donne environ 14 minutes et 48 secondes, neuf secondes de plus que la méthode de la bouteille.

Bien que cela puisse sembler une petite différence, les scientifiques disent que l'écart pourrait être énorme. Comme le modèle standard de la physique des particules exige que la durée de vie des neutrons soit d'environ 14 minutes 39 secondes, tout écart par rapport à cela provoquerait un changement fondamental dans notre compréhension de ce modèle.

MESSENGER transportait un spectromètre à neutrons pour détecter les neutrons libérés dans l'espace par des rayons cosmiques entrant en collision avec des atomes à la surface de Mercure dans le cadre de recherches visant à déterminer l'existence d'eau sur la planète.

Sur son chemin, le vaisseau spatial a d'abord survolé Vénus, où il a collecté pour la première fois des mesures de neutrons.

Dr Jacob Kegerreis, à l'Institut de cosmologie computationnelle, à l'Université de Durham, a déclaré : « Même si MESSENGER a été conçu à d'autres fins, nous pouvions encore utiliser les données pour estimer la durée de vie des neutrons. Le vaisseau spatial a fait des observations sur une large gamme de hauteurs au-dessus des surfaces de Vénus et de Mercure, qui nous a permis de mesurer comment le flux de neutrons change avec la distance des planètes."

À l'aide de modèles, l'équipe a estimé que le nombre de neutrons MESSENGER devrait compter à son altitude au-dessus de Vénus pour des durées de vie des neutrons comprises entre 10 et 17 minutes. Pour les durées de vie plus courtes, moins de neutrons survivent assez longtemps pour atteindre le détecteur de neutrons de MESSENGER.

Ils ont trouvé que la durée de vie des neutrons était de 13 minutes, avec une incertitude d'environ 130 secondes des incertitudes statistiques et autres, comme si le nombre de neutrons change au cours de la journée et l'incertitude sur la composition chimique de la surface de Mercure.

Leur durée de vie estimée des neutrons se situe tout près de la plage des estimations des méthodes « bouteille » et « faisceau ».

Auteur principal, le Dr Jack Wilson, du laboratoire de physique appliquée Johns Hopkins, a déclaré : « C'est comme une expérience avec une grande bouteille, mais au lieu d'utiliser des murs et des champs magnétiques, nous utilisons la gravité de Vénus pour confiner les neutrons pendant des durées comparables à leur durée de vie."

Comme les erreurs systématiques dans les mesures spatiales ne sont pas liées à celles des méthodes de la bouteille et du faisceau, les chercheurs ont déclaré que leur nouvelle méthode pourrait fournir un moyen de sortir de l'impasse entre l'existant, mesures concurrentes.

Les chercheurs ont ajouté que des mesures plus précises nécessiteraient une mission spatiale dédiée, peut-être à Vénus, comme son atmosphère épaisse et sa grande masse piègent les neutrons autour de la planète.

Ils espèrent concevoir et construire un instrument capable d'effectuer une mesure de haute précision de la durée de vie des neutrons à l'aide de leur nouvelle technique.