Le détecteur de neutrons ultrafroids à haute efficacité utilisé dans le piège « baignoire ». Crédit :Laboratoire national de Los Alamos / Michael Pierce.
Les particules appelées neutrons sont généralement très contenues à l'intérieur des atomes. Ils restent pendant des milliards d'années et plus longtemps à l'intérieur de certains des atomes qui composent la matière de notre univers. Mais lorsque les neutrons sont libres et flottant seuls à l'extérieur d'un atome, ils commencent à se désintégrer en protons et autres particules. Leur durée de vie est courte, ne dure que 15 minutes environ.
Les physiciens ont passé des décennies à essayer de mesurer la durée de vie précise d'un neutron en utilisant deux techniques, l'un impliquant des bouteilles et l'autre des poutres. Mais les résultats des deux méthodes n'ont pas concordé :ils diffèrent d'environ 9 secondes, ce qui est significatif pour une particule qui ne vit que 15 minutes environ.
Maintenant, dans une nouvelle étude publiée dans la revue Lettres d'examen physique , une équipe de scientifiques a réalisé la mesure la plus précise à ce jour de la durée de vie d'un neutron en utilisant la technique de la bouteille. L'expérience, connu sous le nom d'UCNtau (pour Ultra Cold Neutrons tau, où tau fait référence à la durée de vie des neutrons), a révélé que le neutron vit 14,629 minutes avec une incertitude de 0,005 minutes. Il s'agit d'un facteur deux plus précis que les mesures précédentes effectuées à l'aide de l'une ou l'autre des méthodes. Bien que les résultats ne résolvent pas le mystère de la divergence des méthodes de la bouteille et du faisceau, ils rapprochent les scientifiques d'une réponse.
"Ce nouveau résultat fournit une évaluation indépendante pour aider à résoudre le casse-tête de la durée de vie des neutrons, " dit Brad Filippone, le professeur de physique Francis L. Moseley et co-auteur de la nouvelle étude. Les méthodes continuent à être en désaccord, il explique, parce que l'une des méthodes est défectueuse ou parce qu'il se passe quelque chose de nouveau dans la physique qui n'a pas encore été compris.
"Lorsqu'il est combiné avec d'autres mesures de précision, ce résultat pourrait fournir la preuve tant recherchée pour la découverte d'une nouvelle physique, " il dit.
Les résultats peuvent également aider à résoudre d'autres mystères de longue date, comme la façon dont la matière de notre univers infantile s'est d'abord figée à partir d'une soupe chaude de neutrons et d'autres particules. « Une fois que nous connaissons précisément la durée de vie des neutrons, cela peut aider à expliquer comment les noyaux atomiques se sont formés dans les premières minutes de l'univers, " dit Filippone.
Une comparaison de la durée de vie des neutrons résulte de plusieurs expériences réalisées depuis le début des années 1980. Les expériences de faisceau sont affichées en rouge, et bouteille en bleu. Les résultats récents du projet UCNtau, qui sont les plus précis à ce jour, sont représentés en jaune et indiquent une durée de vie des neutrons de 877,75 secondes avec une incertitude de 0,34 seconde. Crédit :Eric Fries/Caltech
Tests à l'aveugle
En 2017 et 2018, l'équipe de l'UCNtau a réalisé deux expériences en bouteille au Laboratoire national de Los Alamos (LANL). Dans la méthode de la bouteille, les neutrons libres sont piégés dans un ultrafroid, bouteille aimantée de la taille d'une baignoire, où ils commencent à se désintégrer en protons. En utilisant des méthodes sophistiquées d'analyse de données, les chercheurs peuvent compter combien de neutrons restent au fil du temps. (Dans la méthode du faisceau, un faisceau de neutrons se désintègre en protons, et les protons sont comptés pas les neutrons.)
Au cours des expérimentations, la collaboration UCNtau comptait 40 millions de neutrons.
Pour supprimer d'éventuels biais dans les mesures, causés par des chercheurs qui faussent consciemment ou inconsciemment les résultats pour qu'ils correspondent aux résultats attendus, la collaboration s'est scindée en trois groupes qui ont travaillé à l'aveugle. Une équipe était dirigée par Caltech, un autre par l'Université de l'Indiana, et un autre par LANL. Chaque équipe a reçu une fausse horloge, afin que les chercheurs ne sachent pas réellement combien de temps s'était écoulé.
"Nous avons volontairement réduit un peu nos horloges d'un montant que quelqu'un connaissait mais a ensuite gardé secret jusqu'à la fin de l'expérience, " dit le co-auteur Eric Fries (Ph.D. '22), qui a dirigé l'équipe Caltech et effectué la recherche dans le cadre de son doctorat. thèse.
"Cela rend l'expérience plus fiable car il n'y a aucune chance de biais conscient ou inconscient dans l'ajustement des résultats pour correspondre à la durée de vie attendue des neutrons, " ajoute Filippone. " Ainsi, nous ne connaissons pas la durée de vie réelle jusqu'à ce que nous ayons corrigé cela à la toute fin lors de la "libération de l'aveuglement".
Bailey Slaughter, qui travaillait auparavant sur le projet UCNtau alors qu'il était étudiant de premier cycle à l'Université de l'Indiana, est vu ici en train d'effectuer des travaux à l'intérieur du piège, ou "bouteille, " utilisé pour compter la durée de vie des neutrons. Crédit :Chen-Yu Liu
Piégeage des neutrons zippy
Un défi dans l'étude des neutrons parasites est qu'ils peuvent facilement se lier aux atomes, dit Filippone. Il note que les noyaux atomiques dans l'appareil expérimental peuvent facilement "dévorer les neutrons comme Pac-Man". Par conséquent, les chercheurs ont dû créer un vide très serré dans la chambre pour empêcher les gaz indésirables d'entrer.
Ils ont également dû ralentir considérablement les neutrons afin qu'ils puissent être piégés par des champs magnétiques et comptés.
"Nous devons refroidir ces neutrons à travers différentes étapes, " dit Filippone. " L'étape clé à la fin est de faire interagir les neutrons avec un morceau congelé solide de deutérium [une version plus lourde de l'hydrogène] de la taille d'un gâteau d'anniversaire, ce qui fait perdre de l'énergie aux neutrons."
Une fois les expériences réalisées et les données collectées, chacune des trois équipes a utilisé des approches différentes pour analyser les données. Fries et l'équipe Caltech ont utilisé des méthodes d'apprentissage automatique pour aider à compter les neutrons. « La partie délicate consiste à examiner les points de données individuels et à dire :Oui, c'est en fait un neutron, " dit Fries.
Lorsque les trois équipes ont dévoilé leurs résultats, ils ont trouvé un niveau d'accord remarquable. « Nous avons tous traité les données différemment, mais nous avons trouvé à peu près la même réponse, avec des différences inférieures à l'erreur statistique globale, " dit Fries.
À la fin, la durée de vie des neutrons a été calculée avec une précision meilleure que 400 parties par million, ce qui en fait le résultat le plus précis à ce jour. De futures expériences sont en cours pour aider à affiner davantage les mesures effectuées à l'aide de la méthode du faisceau et pour finalement déterminer si des erreurs systématiques ou une nouvelle physique sont à l'origine du mystère de la durée de vie des neutrons.
Le papier est intitulé, "Une mesure de durée de vie des neutrons améliorée avec UCNtau."
