Les neutrons, des particules essentielles de la matière, jouent un rôle crucial dans la stabilité des atomes. Bien qu’ils puissent demeurer stables lorsqu’ils sont intégrés dans un noyau atomique, les neutrons libres, qui ne sont pas liés à d’autres particules, se désintègrent en moyenne au bout de quinze minutes. Cependant, des résultats contradictoires concernant leur durée de vie ont intrigué les physiciens pendant des décennies. Une équipe de chercheurs de l’Université technique de Vienne propose une explication fascinante : il pourrait exister des états excités du neutron jusqu’ici inconnus qui influenceraient ainsi leur durée de vie.
Qu’est-ce qu’un neutron ?
Les neutrons sont des particules neutres, ce qui signifie qu’elles n’ont pas de charge électrique, contrairement aux protons qui sont chargés positivement. Ensemble, protons et neutrons forment le noyau atomique, la partie centrale de l’atome. La stabilité de ce noyau dépend de l’équilibre entre le nombre de protons et de neutrons.
Les neutrons libres ne font quant à eux pas partie d’un noyau atomique (ils flottent librement). De ce fait, ils sont sujets à la désintégration. Plus précisément, dans un noyau, les neutrons interagissent avec d’autres particules, comme les protons, grâce à des forces nucléaires puissantes qui leur confèrent une certaine stabilité. Cependant, lorsqu’ils sont libérés et flottent librement, ces forces ne sont plus présentes pour les maintenir. C’est pourquoi ils se désintègrent.
Le mystère des neutrons libres
Depuis près de trente ans, les physiciens sont perplexes face à des résultats contradictoires concernant la durée de vie des neutrons libres. En moyenne, un neutron libre se désintègre après environ 14 minutes et 39 secondes (ou 879 secondes). Cependant, des études ont montré que dans des expériences où les neutrons sont mesurés dans un faisceau (comme dans les réacteurs nucléaires où ils sont produits lors de désintégrations radioactives et dirigés à travers un tube pour être comptabilisés), la durée de vie moyenne mesurée est souvent de l’ordre de 880 secondes. En revanche, lorsque des neutrons sont stockés dans une bouteille créée par des champs magnétiques, leur durée de vie semble s’allonger significativement pour atteindre environ 887 secondes.
Cette différence de près de sept secondes dans les mesures soulève des questions sur les facteurs qui influencent la stabilité des neutrons libres et souligne la nécessité de mieux comprendre ce phénomène.
Benjamin Koch, chercheur à l’Université technique de Vienne, et son collègue Felix Hummel, se sont récemment penchés sur cette énigme. Ils suggèrent que les différences de durée de vie pourraient être dues à des états excités des neutrons jusqu’ici inconnus. Ces états pourraient alors influencer la manière dont les neutrons se désintègrent.
L’hypothèse des états excités
Dans le détail, l’hypothèse de Koch et Hummel repose sur l’idée que lors de la désintégration radioactive, les neutrons émergent dans un mélange d’états. Certains neutrons seraient dans leur état fondamental tandis que d’autres se trouveraient dans des états excités avec un peu plus d’énergie.
Pour illustrer cette notion, ils comparent cela à un bain moussant : lorsque l’on ajoute de l’énergie, la mousse se forme et crée un état d’excitation. Néanmoins, avec le temps, les bulles éclatent et le bain retrouve son état initial. De la même manière, les neutrons excités pourraient avec le temps se stabiliser et revenir à leur état fondamental.
Si cette hypothèse est correcte, alors les neutrons dans un faisceau pourraient contenir un plus grand nombre d’états excités, ce qui expliquerait pourquoi ils semblent avoir une durée de vie plus longue. En revanche, les neutrons dans une bouteille seraient presque exclusivement dans leur état fondamental qui a eu le temps de se stabiliser. Ainsi, la probabilité de désintégration d’un neutron dépendrait fortement de son état, ce qui pourrait entraîner des durées de vie moyennes différentes.
La proposition de ces états excités est significative, car elle pourrait non seulement résoudre des questions qui persistent depuis des décennies, mais elle pourrait également avoir des implications plus larges pour la physique des particules. Si des états excités existent, cela pourrait changer notre compréhension de la désintégration des neutrons et ouvrir la voie à de nouvelles recherches sur la nature fondamentale de la matière.
Les prochaines étapes
Pour tester leur hypothèse, les chercheurs prévoient de mener de nouvelles expériences. Ils analyseront également les données d’expériences passées et envisagent de collaborer avec d’autres équipes de recherche, notamment celles de l’Institut de physique atomique et subatomique de l’Université technique de Vienne. Leur objectif sera de déterminer si la durée de vie des neutrons dans un état excité peut varier entre 5 millisecondes et 300 secondes, une plage qui pourrait expliquer les résultats contradictoires observés jusqu’à présent.
D’un point de vue technique, les chercheurs disposent des outils nécessaires pour réaliser ces mesures. Ils estiment avoir une bonne chance de vérifier leur hypothèse concernant les états excités des neutrons. Si cette recherche aboutit, elle pourrait révéler de nouvelles propriétés des neutrons et améliorer notre compréhension de la physique nucléaire.
