Quelle est la Durée de Vie d'un Neutron ?

Malgré plusieurs décennies de mesures, les physiciens ne sont toujours pas d’accord sur la valeur de la durée de vie du neutron. Les neutrons sont les particules qui forment les noyaux d’atomes avec les protons. Ils sont stables lorsqu’ils sont confinés au sein d’un noyau atomique, mais tout seuls, ils se désintègrent spontanément en protons par une désintégration béta : ils émettent un électron et un antineutrino. Leur durée de vie est de l’ordre de un quart d’heure.

Connaître la durée de vie exacte du neutron est très important en physique, notamment pour répondre à des questions fondamentales sur l’existence ou non d’une nouvelle physique au-delà du modèle standard et sur des processus astrophysiques nouveaux.

Il existe deux façons de faire pour mesurer la durée de vie des neutrons : soit on compte le nombre de neutrons qui disparaissent à partir d’un paquet de neutrons préalablement préparé, ou soit on compte le nombre de « produits » de leur désintégration béta. La première méthode est appelée la méthode de la bouteille, et la seconde la méthode du faisceau.

Désintégration béta du neutron en proton

La méthode du faisceau est la plus ancienne, expérimentée depuis les années 1980. Elle consiste à produire un fin faisceau de neutrons que l’on va entourer par des pièges à protons. On peut ainsi compter le nombre de protons émis par le faisceau et par là même connaître le nombre de neutrons qui « meurent ». La dernière mesure de ce type a été effectuée en 2013 par des physiciens américains du NIST (National Institute of Standards and Technology) qui se sont spécialisés dans ce type de mesure.  Ils obtiennent une durée de vie très exactement de 887,7 ± 3,1 secondes.

Les mesures via la méthode de la bouteille, elles, en revanche ont été développées seulement depuis la fin des années 1990, et permettent d’atteindre une précision plus grande. La méthode consiste à enfermer un certain nombre de neutrons dans une sorte de conteneur bien fermé, puis à compter le nombre de neutrons à certains intervalles de temps. La meilleure mesure à ce jour obtenue par cette méthode date de 2008, par une collaboration entre une équipe russe du Petersburg Nuclear Physics Institute et l’Institut Laue Langevin de Grenoble. Le résultat obtenu valait 878,5 ± 1 secondes.

Il y a donc une différence de 9 secondes entre les deux mesures, qui est très largement supérieure aux barres d’erreur respectives des deux manips. C’est tout à fait embarrassant pour les physiciens. Quelqu’un se trompe, mais qui ? Et le plus gros problème n’est pas tant de trouver  quel protocole expérimental produit un biais, c’est plutôt de savoir quelle est la bonne durée de vie du neutron entre ces deux valeurs, car cette différence de 9 secondes, aussi petite peut-elle nous sembler, a des conséquences très importantes par exemple en cosmologie. La durée de vie du neutron a un impact direct sur la formation des premiers noyaux atomiques, la nucléosynthèse primordiale.

Installation expérimentale du NIST (méthode du faisceau)

Les protons et les neutrons se sont formés quelques secondes après le temps de Planck lorsque la soupe de quarks et de gluons s’est suffisamment refroidie. Puis neutrons et protons ont vécus libres comme une sorte de gaz et ce durant une vingtaine de minutes, avant de s’assembler pour former les premiers noyaux de deutérium puis d’hélium. Et pour savoir combien de neutrons étaient disponibles pour cette nucléosynthèse, on doit connaître précisément leur durée de vie, à la fraction de seconde près. Dans l’Univers primordial, 9 secondes durent une éternité.

Pour les astrophysiciens qui élaborent le modèle de la nucléosynthèse primordiale, la durée de vie du neutron est le paramètre qui possède la plus grosse incertitude, et ils sont bien embêtés. Il se trouve que parmi les choses qui peuvent impacter par ailleurs la nucléosynthèse primordiale, il y a la matière noire, sous forme de particules exotiques. Ces particules pourraient avoir interagi avec les protons et les neutrons de l’Univers primordial et avoir ainsi modifié la production des premiers noyaux d’atome. L’enjeu de connaître précisément la durée de vie du neutron est donc crucial.

Et bien comprendre la décroissance béta du neutron est également extrêmement important pour comprendre l’une des quatre forces fondamentales, l’interaction faible. C’est cette interaction qui est responsable par exemple de la fusion nucléaire et de la radioactivité. Le modèle standard de la physique des particules décrit très bien la désintégration béta du neutron mais les physiciens se demandent toujours si ce modèle est complet. Si des mesures de la décroissance du neutron dévient des prédictions, elles pourraient être le signe de l’existence d’un niveau plus profond sous-jacent…

Enfin, une autre possibilité est que justement l’écart de 9 secondes observé entre les deux types d’expériences est une preuve de nouvelle physique. Le fait que la durée de vie mesurée est plus courte dans la méthode de la bouteille pourrait signifier que les neutrons se désintègrent occasionnellement par un autre moyen que la désintégration béta, produisant autre chose que des protons. Cela créerait un certain nombre de protons manquants dans les expériences à faisceau, qui mesureraient alors une durée de vie des neutrons plus longue que dans les expériences à bouteille, comme si moins de neutrons se désintégraient dans une durée donnée alors qu’ils se désintégreraient bien, mais en autre chose, non détecté.

Il faut préciser que ces expériences sont très difficiles à effectuer. Dans les expériences à faisceau, la difficulté vient du fait qu’il faut pouvoir compter de manière absolue à la fois les neutrons qui se trouvent dans le faisceau et les protons qui sont capturés.

Dans les expériences à bouteille, le challenge technologique concerne la bouteille. Il faut que les parois internes de la bouteille réfléchissent parfaitement les neutrons, sans aucune absorption… L’équipe de l’ILL travaille actuellement à la mise au point d’un conteneur plus grand pour comparer les résultats obtenus avec des bouteilles plus petites. Ils devraient ensuite pouvoir extrapoler les résultats à une bouteille de dimension infinie, et pouvoir ainsi atteindre des précisions de quelques dixièmes de secondes sur la valeur de la durée de vie du neutron.

D’autres équipes comme celle du laboratoire national de Los Alamos aux Etats-Unis, travaillent à l’élimination pure et simple des parois de la bouteille, par l’utilisation de champs magnétiques et gravitationnels auxquels sont sensibles les neutrons.

Si les deux méthodes ne parviennent pas à réconcilier leurs résultats, il faudra certainement inventer une nouvelle méthode de mesure, sans quoi nous devrons conclure que la physique nous cache encore des choses.

Source :

Neutron Death Mystery Has Physicists Stymied

C. Moskowitz

Scientific American (May 13 2014)